• РЕГИСТРАЦИЯ
JeDi
25 апреля 2016 г. 22:21 5305 8 17.03

В изумруде нашли новое состояние воды

Физики под руководством Александра Колесникова из американской Национальной лаборатории в Оук Ридж обнаружили в наноразмерных каналах кристаллов берилла (изумруд и аквамарин являются его подвидами) новое состояние воды. Как показали эксперименты и моделирование, молекулы H2O, запертые в берилле, за счет квантового туннелирования превращаются в «смазанные копии самих себя» и, например, теряют дипольный момент. Исследование опубликовано в Physical Review Letters, кратко о нем можно прочитать на сайте Американского физического общества.

Берилл, — минерал с химической формулой Be3Al2Si6O18 — образует очень тонкие и протяженные каналы, которые могут наполняться водой. В этих каналах существуют сужения, «камеры» диаметром в 0,5 и длиной в 0,9 нанометров, в которых может поместиться лишь одна молекула H2O.

Предыдущие наблюдения с помощью спектроскопии в терагерцовом диапазоне показали, что молекулы воды внутри берилловых нанокапилляров, возможно, участвуют в туннелировании, то есть могут «перепрыгивать» между разными квантовыми состояниями. Однако доказательств туннелирования и понимания его механизма в данном случае у физиков до сих пор не было.

В новой работе ученые наблюдали за поведением воды с помощью нейтронной спектроскопии и параллельно рассчитывали поведение молекул в кристаллах на компьютере, по методу ab initio (из первых принципов — то есть моделирование включало квантовые эффекты). В новой статье исследователи описывают, как им удалось не только предсказать появление пиков, точно соответствующих энергиям переходов между разными ориентациями одной молекулы воды, но и зафиксировать эти пики в эксперименте. Кроме того, физики увидели падение интенсивности пиков с ростом температуры — это является верным признаком туннелирования, так как его вероятность падает при нагревании, в отличие от вибрационных переходов.

Поведение воды в берилле, согласно собранным данным, выглядит следующим образом. Канал, внутри которого находится молекула, имеет шесть граней. Атом кислорода в в молекуле воды находится почти в центре канала, а пара водородов обращена к одной из шести стенок. С энергетической точки зрения ориентация на любую из шести стенок равновероятна, но вот провернуться внутри канала и перейти из одной ориентации в другую молекула воды не может — слишком узок канал, необходимо слишком много энергии.

Именно тут и проявляется эффект квантового туннелирования, следы которого физики ранее замечали в терагерцовых спектрах. Оказывается, молекула воды может поменять ориентацию с одной стенки на другую, не побывав в среднем положении, — она туннелирует из начальной в конечную точку поворота. Кроме того, поскольку все шесть положений эквивалентны, то туннелирование происходит между всеми положениями одинаково. Фактически, пара атомов водорода H2O размазываются в пространстве, образуя что-то вроде бублика плотности вокруг центра канала.

Такое странное поведение воды на микроуровне вызывает и макроскопические эффекты — у воды в берилле, например, пропадает дипольный момент. Обычно он вызывается тем, что водороды (которые заряжены частично положительно) смотрят в одну сторону, а атом кислорода (который заряжен частично отрицательно) — в другую. Однако в «берилловой воде» все водороды делокализованы и молекула не имеет положительно и отрицательно заряженных частей. Поскольку многие свойства воды (например, высокая энергия испарения и растворяющая способность) зависят напрямую от дипольного момента, такое состояние воды выглядит весьма необычно. Хоть его и невозможно перенести из каппиляров в раствор.

Ученые отмечают, что подобные состояния воды не обязательно привязаны именно к бериллу или минералам вообще. Они могут возникать при возникновении сильных стерических затрудней и в других материалах — например, внутри ионных каналов в белках или в мембранах.

Александр Ершов

 

 

Будущее - это технологии

Ваш комментарий сохранен и будет опубликован сразу после вашей авторизации.

0 новых комментариев

    ДРУГИЕ СТАТЬИ
    Ева Лисовская Сегодня 19:53 351 7.55

    Спонсор «Дождя» и «Republic» вынудил СМИ стать еще желтее и ущербнее

    Всем опостылевший своей брехней телеканал «Дождь», похоже, скоро прекратит свое существование. Его рейтинг постоянно пробивает новое дно, материалы не вызывают доверия, а сотрудники «Дождя» - уважения. В такой ситуации лучшее, что может произойти – это закрытие помойки. Александру Винокурову, спонсирующему «Дождь» и «Republic», надоело швырять деньги на...
    Colonel Cassad Сегодня 21:22 333 3.00

    Спираль санкционной войны

    Конфликт внутри НАТО между США и Турцией продолжает нарастать, а их отношения продолжают стремительно ухудшаться. 1. Министерство финансов США пригрозило, что если Турция не отпустит пастора Брансона, то США введут против Турции еще более мощные экономические санкции, которые негативно отразятся на ее экономике. Как уже ранее заявляло турецкое руководство, отпу...
    Akbar
    Сегодня 21:14 627 3.72

    Турция на грани дефолта. Как Эрдоган развалил экономику страны

    Турецкая лира девальвировалась с начала года на 45%, фондовые рынки в свободном падении, рост цен становится неконтролируемым, банковская система близка к коллапсу. Турция погрузилась в полномасштабный финансовый кризис. Александр Зотин разбирался, почему страна оказалась обречена на ту или иную форму дефолта.  Для экономистов происходящее не было неожидан...
    ПРОМО
    Александр Роджерс Вчера 10:32 18533 457.82

    Государство вернёт всё

    Расскажу я вам одну теорию. Она, конечно, «неможетбыть» и «вывсеврёти», но я всё равно расскажу. Похоже, нас ждёт ещё один виток тихой национализации… В 2014 году, на волне введения американских санкций после воссоединения Крыма произошли две вещи: ослабление рубля и существенное проседание российского фондового рынка. Поскольк...
    Служба поддержи

    Яндекс.Метрика