Znanstvenici sa Sibirskog federalnog sveučilišta, zajedno s kolegama iz Švedskog Kraljevskog tehnološkog instituta, odbacili su najpopularniju teoriju o klasteru strukture vode. Tijekom svog rada, istraživači su predložili novu teoriju koja je u skladu s rezultatima njihovog eksperimenta. Rad je objavljen u časopisu Nature Communications. Istraživanje je podržano stipendijom Ruske zaklade za znanost.
Voda je jedna od najčešćih, ali istodobno neobičnih tvari na Zemlji. Ima niz atipičnih svojstava zbog svoje posebne strukture, na primjer, visok toplinski kapacitet i niska električna vodljivost. Općenito je prihvaćeno da se voda sastoji od molekula H20, sjedinjenih u grupe takozvanim vodikovim vezama. Njihova prisutnost je zbog privlačenja između pozitivno nabijenih atoma vodika i negativno nabijenih atoma kisika.
Slobodne molekule koje nisu uključene u grozdove (skupine molekula vezanih vodikovim vezama) prisutne su u samo maloj količini. Mnogi znanstvenici vjeruju da je voda neprestano mješavina laganih i teških grozdova. U prvom se molekule vežu jedna za drugu (kao u ledu), a u drugoj se veze razbijaju, zbog čega su takvi sustavi gušći. Prisutnost ovih faza može se otkriti pomoću rezonantnog neelastičnog raspršivanja rendgenskih fotona vodom. U ovom se slučaju vidi prijelaz u kojem elektron iz zauzete molekularne orbite ispunjava rupu, na mjestu gdje je jedan elektron ranije bio izbijen fotonom. Pokus s tekućom vodom pokazuje cijepanje rezonancije na dva vrha. U znanstvenoj literaturi rezultirajući dublet pripisuje se grozdovima teških i lakih tipova.
Kako bi rasvijetlili ovaj temeljni problem, autori rada proveli su eksperiment s vodenom parom, gdje nema vodikovih veza. Tijekom studije izmjerili su spektar rezonantnog neelastičnog raspršivanja izolirane molekule. Eksperimenti su doveli do neočekivanog rezultata i pokazali su da je u rendgenskom spektru raspršivanja vodenih molekula u plinskoj fazi prisutno potpuno isto dijeljenje rezonancije na dva vrha. Nadalje, provedena teorijska izračunavanja nedvosmisleno objašnjavaju cijepanje u spektru ultrabrzim raspadanjem (disocijacijom) molekule vode u N + i ON– ione. Dakle, studija pruža dokaze o dinamickoj prirodi cijepanja rezonancije i opovrgava strukturni mehanizam, pokazujući tako da je struktura vode homogena.
Drugi ne manje važan rezultat ovog rada je dobivanje detaljnih strukturalnih informacija o tome kako vodikove veze utječu na čvrstoću OH veza. Vibracijska infracrvena (infracrvena) spektroskopija najčešće je alat za proučavanje vodikovih veza u tekućinama. Ali u njima, IR spektroskopija pokazuje samo najintenzivniji prijelaz u stanje s minimalnom vibracijskom energijom, koja "slabo osjeti" intermolekularnu interakciju. Rezonantno neelastično raspršivanje vode kvalitativno se razlikuje od IR spektroskopije po tome što, primivši energiju od rendgenskog fotona, elektron s kisikom prelazi iz najdublje orbitalne u prvu nezauzetu. Kao rezultat toga, molekula vode se brzo disocira.
U tom se procesu uzbuđeni elektron kreće natrag do svoje najdublje razine emitirajući foton. Frekvencija oscilacija emitiranog fotona razlikuje se od frekvencije uzbudljivog fotona, jer tijekom ovog prijelaza elektron pada na razine s većom energijom. Stoga se, za razliku od IR spektra, spektar rezonantnog neelastičnog raspršivanja sastoji od proširenog niza vibracijskih vrhova. Što je vibracijsko stanje veće, to se atomi vodika dalje odmiču od kisika u procesu vibracija veze između O i H, a što je jača ta vibracija osjeća interakciju s najbližom molekulom vode, naime vodikovom vezom. Rezonantno neelastično raspršivanje pruža jedinstvenu priliku za proučavanje vodikovih veza, posebno za određivanje na temelju spektra kako susjedne molekule putem vodikove veze utječu na interakcijski potencijal OH veze.
„Važno je napomenuti da, za razliku od izolirane molekule vode s jednom energijom interakcije O i H, postoji skup (raspodjela) takve energije u tekućini zbog raznolikosti neposrednog okruženja molekule vode. Dakle, drugi rezultat rada je mjerenje raspodjele OH-potencijala u mreži stalno promjenjivih vodikovih veza. U sljedećoj fazi istraživanja potrebno je otkriti je li moguće odrediti tako važan strukturni parametar kao što je prosječni broj veza u molekuli iz spektra rezonantnog neelastičnog raspršivanja vode. Određuje energiju interakcije potonjeg s okolinom, a samim tim i svojstva poput brzine zvuka u vodi i njezine toplinske sposobnosti , dodaje Faris Gelmukhanov, doktor fizike i matematike, profesor Kraljevskog instituta za tehnologiju (Stockholm, Švedska),Viši istraživač, Sibirsko federalno sveučilište.
U radu su sudjelovali i znanstvenici sa Sveučilišta u Potsdamu (Njemačka), Sveučilišta u Zürichu (Švicarska) i Sveučilišta u Turkuu (Finska).
Promotivni video: