Молекулы воды существуют в форме двух спиновых изомеров – «орто-вода», в которой ядерные спины атомов водорода параллельны и «пара-вода», в которой ядерные спины атомов водорода антипараллельны. Некоторые особо тонкие свойства изомеров различаются, однако даже это незначительное различие в ряде случаев может оказаться весьма значимым.
Например, в астрофизике соотношение орто- и пара-изомеров воды используется для определения температуры в межзвездном пространстве, хотя получаемые таким способом данные непросто интерпретировать, во многом по причине того, что исследователи до настоящего времени не могли изучить индивидуальные свойства каждого из изомеров в отдельности.
В 2002 году Владимир Тихонов и Александр Волков заявили, что смогли на 25 минут получать капли воды, обогащенные либо орто- либо пара- спиновым изомером, в основу разделения легли различная скорость адсорбции изомеров воды на поверхности. Однако эти эксперименты было трудно воспроизводить и ряд химиков, как, например, Ганс-Гейнрих Лимбах (Hans-Heinrich Limbach) из Свободного Университета Берлина, заявляли, что капля, состоящая из одного изомера должна быть неустойчива, стремясь вернуться к состоянию спиново-изотопной смеси.
Гил Александрович (Gil Alexandrowicz) из Технологического Института в Хайфе подтвердили результаты экспериментов Тихонова и Волкова, однако применив для разделения изомеров воды другой подход, основанный на отклонении молекул воды магнитным полем. Предложенный исследователями способ разделения основан на знаменитом опыте Штерна-Герлаха. Разделение изомеров воды проводилось следующим образом – пучок молекул воды, находящихся в газовой фазе, пропускали через магнит с шестью полюсами, магнитное поле изменяет траекторию движения молекул воды в зависимости от их спиновой проекции.
Александрович, как и исследователи из его группы, уверены, что вода, обогащенная одним из спиновых изомеров (или представленная лишь одним из изомеров), может оказаться полезным растворителем для экспериментов ЯМР, использование которого может повысить разрешение сигналов в 100000 раз!
Лимбах, скептически относившийся к экспериментам Тихонова и Волкова, уверен, что группе Александровича удалось получить системы, обогащенные орто-водой. Однако, он заявляет, что такое разделение бесполезно для решения практических задач – в результате конденсации паров орто-водорода на поверхности и образования капли в конденсированной системе произойдет быстрая спиновая изомеризация, поэтому заявленная Александровичем возможность использования орто- или пара-изомеров воды ы ЯМР не выдерживает никакой критики.
«Мы показали, что реакции с участием пара-воды идут на 25% быстрее, чем с орто-водой, что связано с тем, как спин ядра атомов водорода влияет на вращение всей молекулы. Это очень важно, так как без полного контроля и понимания того, как ведут себя молекулы во время реакций, мы не сможем раскрыть механизмы, управляющие их ходом», — заявил Штефан Виллич (Stefan Willitsch) из университета Базеля (Швейцария).
Законы квантовой механики запрещают «прямое» превращение одной формы воды в другую, благодаря чему в любом стакане с жидкостью должны одновременно присутствовать обособленные группы и пара-, и орто-воды. Тем не менее, первые же опыты показали, что разделить их было невозможно, так как некоторые взаимодействия между молекулами воды, характер которых пока не ясен, иногда заставляют их менять спин атомов водорода.
Виллич и его коллеги впервые смогли решить эту «невозможную» задачу, охладив воду до температуры, близкой к абсолютному нулю, и заставив молекулы пара- и орто-воды самостоятельно разделиться на два лагеря, не соприкасающихся друг с другом.
Этого им удалось добиться, превратив воду в своеобразный «пар», чрезвычайно разреженную смесь молекул воды и атомов аргона, не застывавшую даже при сверхнизких температурах. Когда ученые подготовили достаточное количество этой субстанции, они пропустили ее через мощный генератор электростатических полей. Она разделилась на два узких потока молекул, один из которых содержал в себе только пара-воду, а второй — только орто-воду.
Эти потоки «врезались» в облачко другого газа, состоявшего из ионов кальция и диазенилия, непрочного соединения двух атомов азота и одного атома водорода. Диазенилий активно взаимодействует с водой даже при сверхнизких температурах, отдавая ей «лишний» водород, благодаря чему он стал одним из первых «межзвездных» химических соединений, открытых астрономами в космосе в последние 50 лет.
Обстреливая это облако и потоки воды лучами ультрафиолета, ученые смогли проследить за тем, как обе формы влаги взаимодействуют с диазенилием и раскрыть несколько интересных свойств пара- и орто-воды. К примеру, выяснилось, что пара-вода заметно быстрее и активнее вступала в реакции с молекулами N2H, что говорит о существенных различиях в их поведении и в других химических взаимодействиях.
Дальнейшие эксперименты с «чистыми» версиями воды, как надеются ученые, помогут раскрыть и другие различия между ними, и понять, почему пропорции пара- и орто-воды на Земле отличаются от тех значений, которые были вычислены для других звездных систем. Все это, в свою очередь, может оказаться критически важным для раскрытия истории формирования планеты и зарождения жизни на ее поверхности.
Оценили 14 человек
28 кармы