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