Предсказанный ранее короткоживущий комплекс обнаружили в ионизированной воде
Американские физики использовали дифракцию сверхбыстрых электронов для исследования динамики межмолекулярных связей в жидкой воде после ее ионизации лазерным импульсом. Они экспериментально подтвердили теоретические расчеты, предсказывающие образование короткоживущего комплекса OH(H3O+), а также получили информацию о релаксации локального нагрева. Работа опубликована в Science.
Вода играет ключевую роль в жизни человека, поэтому ее изучают особенно активно. При кажущейся простоте воды, ее внутри- и межмолекулярная структура оказывается довольно сложной, подробнее об этом можно прочитать в наших материалах «Пять стихий: вода» и «Хризопея воды». Другая особенность воды заключается в том, что ее молекулярная динамика проявляется на очень коротких, субпикосекундных временах. По этой причине, кстати, вопреки распространенному мифу вода не может хранить информацию (подробнее об этом и других мифах, связанных с водой, мы рассказывали в материале «Живая и неживая»).
Написанное выше касается и воды, подвергнутой радиолизу, то есть разложению под действием ионизированного излучения. Ионизированная вода играет важную роль в целом ряде сфер деятельности, начиная от радиотерапии и заканчивая обеззараживанием. Теория предсказывает, что следующий за ионизацией протонный обмен между катионом H2O+ и нейтральной молекулой воды приводит к образованию короткоживущей катион-радикальной пары OH(H3O+), однако прямых свидетельств образования этого комплекса, равно как и его последующей диссоциации и безызлучательной релаксации до недавнего времени не было из-за недостаточного временного разрешения приборов.
Группа американских физиков под руководством Мин-Фу Линь (Ming-Fu Lin) из Национальной ускорительной лаборатории SLAC экспериментально показала, что временного разрешения, которым обладает созданная ими установка по жидкофазной дифракции сверхбыстрых электронов, достаточно, чтобы зафиксировать сигнал, обусловленный образованием комплекса OH(H3O+). Они исследовали момент его образования и распада в пределах нескольких сотен фемтосекунд, а также последующие структурные изменения воды в окрестностях центра возбуждения.
Суть эксперимента заключалась в ионизации плоской водяной струи толщиной 100 нанометров лазерным импульсом длительностью 65 фемтосекунд и длиной волны 800 нанометров. Следом за ним через некоторое время мишень облучалась пучком сверхбыстрых электронов, дифракция которых давала информацию об интенсивности рассеяния в зависимости от величины переданного электронам импульса. Преобразование этой зависимости в координатное представление дает информацию о характерных расстояниях между атомами в водяной мишени. Использованная авторами техника позволила проследить за изменением длины межмолекулярных O···O и O···H расстояний с фемтосекундным разрешением.
В результате физики обнаружили, что сразу после ионизации происходит существенное изменение межмолекулярных расстояний. В частности, через 140 фемтосекунд возникают короткие сигналы, соответствующие расстояниям, равным 1,4 и 2,4 ангстремам, которые к 240 фемтосекундам затухают. Авторы связали их с парами O···H и O···O, расстояния между которыми для невозмущенной воды равны 1,8 и 2,9 ангстрем соответственно. Такое сокращение свидетельствует об образовании и распаде катион-радикальной пары OH(H3O+), что полностью подтверждается симуляциями молекулярной динамики.
Ученые также обратили внимание на остаточное изменение в распределении расстояний, которое сохраняется вплоть до нескольких пикосекунд. Они связали соответствующие структурные изменения с локальным нагревом и последующей релаксацией. Численное моделирование с помощью теории функционала плотности подтвердило эту гипотезу и показало, что локальный рост температуры непосредственно после облучения составил 320 кельвин.
Физики отмечают, что детали релаксации будут ясны только с помощью полной симуляции, что требует дополнительных исследований. Кроме того, улучшение временного разрешения позволит в будущем узнать подробности того, как происходит протонный обмен и сокращение расстояния между катионом и радикалом перед формированием комплекса.
Ранее аналогичная техника была использована для того, чтобы проследить за релаксационной динамикой внутри- и межмолекулярных связей молекул воды после возбуждения валентного колебания.
Марат Хамадеев
Калькулятор личных зивертов
Ходите ли вы по земле, летите на самолете или не дыша замерли в кабинете рентгенолога — вы находитесь под воздействием радиации. Впрочем, это не значит, что вам угрожает опасность — вопрос всегда в дозах. Предлагаем вам рассчитать свою ежегодную дозу радиации, а мы заодно расскажем, как она устроена.