Физики проследили за динамикой водородных связей в воде с помощью рентгена
Физики разработали новый метод исследования динамики молекулярной структуры жидкостей с течением времени, основанный на неупругом рентгеновском рассеянии. С помощью предложенного метода удалось проследить за динамикой структуры водородной связи и объяснить некоторые из фундаментальных свойств воды, в частности, ее вязкость, сообщают ученые в Science Advances.
Молекулы жидкостей, несмотря на то, что не образуют упорядоченной кристаллической структуры, располагаются довольно близко друг к друг и могут образовывать небольшие молекулярные кластеры. Например, в воде такие кластеры формируются за счет наличия водородных связей между атомами водорода и кислорода из соседних молекул. Для исследования состояния кластерной системы в жидкости обычно используют неупругое рассеяние нейтронов и рентгеновского излучения или спектроскопических методов, однако таким образом обычно удается лишь определить состояние системы в данный момент времени, но не получить никакой информации о динамических свойствах системы.
Коллектив физиков из США и Японии под руководством Такэси Эгами (Takeshi Egami) из Национальной лаборатории Ок-Ридж предложил использовать неупругое рентгеновское рассеяние для изучения динамики водородных связей между молекулами воды в реальном времени. По словам ученых, раньше удавалось только «фотографировать» молекулы воды, фиксируя их состояние в данный момент времени, а с помощью новой методики движение молекул воды можно фактически «снимать на видео».
По полученным данным неупругого рентгеновского рассеяния ученые с помощью двойного преобразования Фурье получали значение корреляционной динамической функции Ван Хова. Эта функция определяет вероятность обнаружить в данный момент времени на заданном расстоянии от данного атома другой атом. По распределению значений этой функции в пространстве с течением времени можно установить, как взаимное расположение молекул меняется с течением времени, и в случае с водой узнать как меняется структура водородных связей.
По полученным данным ученым удалось установить, что из-за водородных связей образуется короткоживущее устойчивое состояние с временем жизни чуть менее одной пикосекунды. После этого времени структура воды перестраивается с образованием новой системы связей. Именно время жизни каждого устойчивого состояния определяет макроскопические свойства воды, в первую очередь, ее вязкость.
Результаты эксперимента ученые сравнили с данными компьютерного моделирования, полученными несколькими различными методами. Оказалось, что картина, полученная с помощью моделирования, качественно соответствует результатам эксперимента и дает такое же время жизни одного состояния. Тем не менее небольшие отличия в положении и величине пиков, соответствующих ближним двум атомам, а также поведение спектров на относительно больших временах (более 0,4 пикосекунды) все же наблюдались. Авторы работы предполагают, что эти отличия связаны с тем, что компьютерные модели не учитывают квантово-механическую природу водородных связей, которая тоже может влиять на их динамику.
По словам ученых, полученные результаты можно в дальнейшем использовать в качестве данных для расчетных методов и динамического моделирования.
Наличием у воды короткоживущих состояний с заданной структурой часто пытаются объяснить некоторые связанные с водой мифы, такие как память и зарядка воды. Иногда это делается оправдано, но, как правило, эти объяснения совершенно не обоснованы. Подробнее об этом вы можете прочитать в нашем материале.
Александр Дубов
Новый эксперимент в восемь раз превосходит по точности предыдущие измерения
Американские физики уточнили величину сверхтонкого расщепления уровня 2S атома водорода с помощью радиочастотного метода Рамзея. Вычисленная в результате этого комбинация расщеплений 1S и 2S уровней оказалась в хорошем согласии с теоретическими оценками, выполненными в рамках квантовой электродинамики. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Простейший атом, состоящий лишь из протона и электрона — атом водорода — наилучшим образом подходит для точных проверок теории электромагнитного взаимодействия. Для этого физики измеряют интервалы между энергетическими уровнями или иные свойства атома, а затем пытаются воспроизвести их с помощью вычислений. На заре квантовой физики для предсказания спектра атома водорода было достаточно нерелятивистской квантовой механики. Затем ученые научились различать более тонкие эффекты: релятивизм, спин-орбитальное взаимодействие и, наконец, влияние квантовых флуктуаций, известное как лэмбовский сдвиг. Дальнейшее уточнение потребовало учета взаимодействия электронных оболочек со спином ядра (сверхтонкая структура), а также поправок на конечный размер ядра. Последнее, с одной стороны, позволило определить размер протона спектроскопическими методами, но, с другой, стало препятствием к точным тестам квантовой электродинамики, поскольку радиус протона сам по себе стал объектом большой дискуссии. Подробнее об этой проблеме мы рассказывали в материале «Щель в доспехах». Обойти ее могло бы измерение определенных комбинаций частот, в которых вклады от размера ядра уничтожаются. Пример такой комбинации — разность между восьмикратным значением сверхтонкого расщепления уровня 2S1/2 и однократным уровня 1S1/2 атома водорода. Вычислению этой величины посвящена работа Райана Буллиса (Ryan Bullis) и его коллег из университета Колорадо. При измерении указанной комбинации главным источником ошибок остается неопределенность сверхтонкой структуры уровня 2S. Фактически, измерение этого расщепления и было основной задачей физиков. Для этого они использовали метод Рамзея, выполненный в радичастотном диапазоне. Суть эксперимента заключалась в пропускании пучка атомов водорода, предварительно возбужденных двухфотонным поглощением в состояние 2S1/2 (F=0), через сложную катушку, создающую переменное поле с частотой, близкой к 177 мегагерцам. Такое радиочастотное поле стимулирует переходы в сверхтонкий подуровень с F=1 — физики считали атомы в таком состоянии на выходе из катушки с помощью каналового электронного умножителя. Чтобы оставшиеся на F=0 подуровне атомы не влияли на сигнал, авторы переводили их на 2P уровень с помощью дополнительного переменного электрического поля с частотой 910 мегагерц, создаваемого конденсатором. В ходе эксперимента физики слегка меняли частоту колебания магнитного поля и следили за поведением сигнала — количества атомов на F=1 подуровне. Нужный интервал проявил себя в виде резонанса на определенной частоте. После поправок на систематические эффекты значение этой частоты оказалось равным 177 556 838,87(85) герца. Этому значению соответствует величина комбинации, равная 48 959,2(6,8) герца, что хорошо согласуется с теорией — 48 954,1(2,3) герца. Новое значение оказалось в восемь раз точнее, чем предыдущий эксперимент, проведенный оптическими методами, и в 60 раз точнее, чем прошлое измерение с помощью радиочастотных полей. В перспективе авторы планируют еще больше увеличить точность измерения, сделав катушку больше. Не так давно мы рассказывали про измерение сверхтонкого расщепления 2S уровня в мюонии — связанной системе антимюона и электрона.