Команда под руководством профессора Мартины Хавенит из Рурского университета Бохума и профессора Джоэла Боумена из Университета Эмори в Атланте вместе с коллегами из Университета Радбауд в Неймегене и Университета Монпелье описывают работу в журнале Angewandte Chemie International Edition 27 июля 2019 года.
Неизвестные взаимодействия
Вода является важнейшим растворителем в химии и биологии и обладает рядом странных свойств – например, она достигает своей максимальной плотности при четырех градусах Цельсия. Это связано с особыми взаимодействиями между молекулами воды. «Описание этих взаимодействий было проблемой для исследований на протяжении десятилетий», – говорит Мартина Хэвенит, глава кафедры физической химии II в Бохуме и представитель кластера передовых технологий Ruhr Explores Solvation (Resolv).
Эксперименты при экстремально низких температурах
Команда исследовала простейшее возможное взаимодействие, а именно между двумя отдельными молекулами воды, с помощью терагерцовой спектроскопии. Исследователи посылают короткие импульсы излучения в терагерцовом диапазоне через образец, который поглощает часть излучения.
Картина поглощения раскрывает информацию о притягивающих взаимодействиях между молекулами. Для экспериментов требовался лазер с особенно высокой яркостью, который есть в Неймегене. Исследователи проанализировали молекулы воды при экстремально низких температурах.
Для этого они последовательно хранили отдельные молекулы воды в крошечной капельке сверхтекучего гелия, который был холодным как 0.4 Кельвина. Капли работают как пылесос, улавливающий отдельные молекулы воды. Из-за низкой температуры между двумя молекулами воды возникает стабильная связь, которая не будет стабильной при комнатной температуре.
Эта экспериментальная установка позволила группе впервые зарегистрировать спектр заторможенного вращения двух молекул воды. «Молекулы воды постоянно движутся», – объясняет Мартина Хэвенит. "Они вращаются, открываются и закрываются.«Однако молекула воды, рядом с которой находится вторая молекула воды, не может свободно вращаться – вот почему это называется заторможенным вращением.
Многомерная энергетическая карта
Взаимодействие молекул воды также можно представить в форме так называемого водного потенциала. «Это своего рода многомерная карта, на которой отмечается, как изменяется энергия молекул воды при изменении расстояния или угла между молекулами», – объясняет Мартина Хэвенит. Все свойства, такие как плотность, проводимость или температура испарения, могут быть получены из водного потенциала. «Наши измерения теперь позволяют наилучшим образом проверить все потенциалы, разработанные на сегодняшний день», – резюмирует исследователь.