В «стеснённых условиях» молекула воды меняет свойства.

Вода, попав в тесные каналы внутри бериллового кристалла, переходит в особое квантовое состояние с «размазанными» атомами водорода.

В кристаллической решетке берилла присутствуют небольшие пустоты с шестигранным поперечным сечением. У них очень маленький размер – примерно 0,5 нанометра (10-9 м) в ширину и 0,9 нанометра в длину. Молекула воды в таком небольшом пространстве может разместиться, однако взаимодействие с атомами кристаллической решетки не позволяет ей свободно поворачиваться. Поэтому вода располагается в центре канала, а её атомы водорода остаются повернутыми к одной из шести его граней. Чтобы изменить собственное положение, перейти из одного устойчивого состояния в другое, молекуле воды необходима энергия около 50 мегаэлектронвольт – иными словами, воде нужно преодолеть энергетический барьер.

Структура берилла (красные кружки – атомы кислорода, зеленые – бериллия, синие – кремния, голубые – алюминия). У молекул воды шестью розовыми кружками показаны все возможные положения атомов водорода. (A. I. Kolesnikov et al., Phys. Rev. Lett. (2016))

Рассчитанная плотность зарядов для протона. Желтым цветом показана самая высокая плотность, синим – самая низкая (A. I. Kolesnikov et al., Phys. Rev. Lett. (2016))

Однако в микромире существует квантовое явление, названное туннельным эффектом – когда частица переходит в другое состояние, даже если ей не хватает энергии. Например, туннельный эффект имеет место при альфа-распаде радиоактивных атомов, когда альфа частица покидает ядро атома, преодолевая барьер, созданный ядерными силами. В случае с водой, заключённой в берилловом кристалле, такой эффект позволяет атомам в молекуле переходить из одного положения в другое, как бы поворачивая ее. Но это не классический поворот, поскольку молекула переходит из одного положения в другое скачком, минуя промежуточные состояния.

О том, что молекула воды может так вести себя в кристалле берилла, впервые несколько лет назад сообщили российские физики, анализировавшие спектры терагерцового излучения молекулы воды. Ее прыжки между состояниями приводят к появлению в спектре нескольких энергетических уровней вместо одного. Но прямых экспериментальных доказательств такого поведения у исследователей тогда ещё не было.

Источник