Неожиданные открытия в химии воды от международной команды
Международный коллектив ученых из Сколковского института науки и технологий и Штутгартского университета совершил важный шаг в понимании молекулярной структуры воды. Благодаря тесному сотрудничеству специалисты впервые доказали, что в чистой воде доля краткоживущих ионов H3O+ и OH- заметно превышает привычные научные ожидания. Такое наблюдение открывает нам совершенно новые перспективы в изучении динамики жидкости и ее фундаментальных свойств.
Роль нестабильных ионов в жизни воды
Традиционно вода воспринимается как относительно стабильная смесь H2O. Однако ионные компоненты — пусть и образующиеся всего на доли секунды — существенно влияют на поведение воды в химических, биологических и физических процессах. Короткоживущие частицы выступают ключевыми участниками различных окислительно-восстановительных реакций, катализаторов и процессов в электрохимии. Ранее выдвигалась гипотеза, что влияние квантовых эффектов позволяет атому водорода легко «перескакивать» между молекулами воды, формируя короткоживущие состояния с избыточным протоном. До последнего времени экспериментальных подтверждений этому не существовало.
Передовые методы и уникальные результаты эксперимента
Российско-немецкая группа, используя ультрасовременные методы, смогла впервые зафиксировать и количественно описать ионно-молекулярный состав воды на субпикосекундных временных масштабах. Эксперименты показали, что заметная часть (до нескольких процентов) молекул воды мгновенно оказывается в ионизированном состоянии. Для достижения оптимальной точности ученые брали на вооружение не только обычную воду (H2O), но также тяжелую (D2O) и полутяжелую (HDO), поочередно заменяя атомы водорода дейтерием.
Путем тонких изменений в составе исследователи смогли пронаблюдать, как возникновение избыточных протонных форм — HD2O+, DH2O+, H3O+ и D3O+ — проявляется в инфракрасном диапазоне. Необычные спектральные особенности, зависящие от состава, вблизи линий изгибных колебаний молекул были полностью новым открытием. Как отметил ведущий исследователь и профессор Центра энергетических технологий Сколтеха Хенни Уэрдан, эти особенности нельзя объяснить привычными моделями, и они тесно связаны с быстрыми изменениями структуры воды на пикосекундных интервалах.
Новые горизонты: что могут дать открытия Василия Артёмова и коллег
Первый автор исследования, старший научный сотрудник Центра энергетических технологий д-р Василий Артёмов, подчеркивает, что подобный подход отличается от предыдущих — классические знания о воде строились на исследованиях кристаллических структур и давали лишь статическую картину. Теперь учёные ставят во главу угла динамические процессы и мельчайшие флуктуации, которые действительно формируют необычные, уникальные свойства воды.
Эти результаты открывают перспективы для появления новых научных концепций. В дальнейшем возможно детальное исследование роли электрических полей во взаимодействиях с водой, а также поиск и описание ранее неизвестных ее аномалий. Подобные знания важны для медицины, энергетики, фундаментальных областей химии и физики, а также для разработки передовых технологий очистки и обработки воды.
Взгляд в будущее: развитие исследований структуры воды
Открытие, сделанное российскими и немецкими учёными, наглядно показывает: даже такая казалось бы элементарная жидкость, как вода, обладает сложнейшей внутренней динамикой, которая только начинает открываться человечеству благодаря современным научным методам. Международное сотрудничество, объединяющее экспертов Сколковского института науки и технологий и Штутгартского университета, не только углубляет наши знания о природе воды, но и создаёт оптимистичный задел для будущих исследований во всех сферах, связанных с физикой и химией жидкостей.
Команда учёных уверена, что их работа послужит платформой для новых прорывов в понимании процессов на молекулярном уровне, что в перспективе позволит научиться более точно управлять свойствами воды в самых разных областях человеческой деятельности. Научное любопытство, современное оборудование и научные связи служат залогом движения вперёд к новым открытиям и инновациям.
Иллюстрация: Инфракрасные спектры легкой (красный), тяжелой (синий) и полутяжелой (серый) воды, а также исследованные ионные частицы. Красные, белые и черные кружки символизируют атомы кислорода, водорода и дейтерия. Стрелки указывают направления колебаний. Изображение подготовлено авторами исследования © Skoltech
Источник: scientificrussia.ru
