Группа ученых из Сибирского федерального университета (СФУ), сотрудничая с коллегами из Королевского института технологий Швеции и при поддержке Российского научного фонда, совершила настоящий прорыв в понимании внутренней структуры воды. Исследователи поставили под сомнение одну из самых известных теорий, существующих на сегодняшний день, и предложили принципиально новую модель, которая отличает воду удивительной однородностью на молекулярном уровне.
Вода — загадка природы
Вода несомненно считается уникальной среди всех веществ на нашей планете. Необычные характеристики, такие как высокая теплоемкость, способность растворять множество веществ и невысокая электропроводность, долгое время объяснялись её особым строением. Согласно классическим представлениям, молекулы воды (H2O) формируют небольшие группы, объединённые водородными связями. Эти кластеры делятся на "лёгкие" и "тяжёлые" в зависимости от плотности связей между молекулами. По такому взгляду, внутренняя жизнь воды — это постоянная смена этих кластеров, переходящих друг в друга. Большинство физиков считало, что исследование спектров рентгеновского рассеяния позволяет различить разные типы кластеров, о чём свидетельствовало появление двойных пиков в спектрах жидкой воды.
Эксперимент, изменивший представления о воде
Авторы этого научного исследования решили проверить теорию кластеров и провести эксперимент с парообразной водой, где молекулы существуют практически изолированно, без водородных связей. Измеряя спектры резонансного неупругого рентгеновского рассеяния для отдельных молекул H2O в газовой фазе, учёные ожидали увидеть отличия по сравнению с жидкой водой. Однако их ждал удивительный результат: расщепление энергетического пика на два, хорошо известных по спектрам жидкой воды, также наблюдается и для газовой фазы.
Такой результат противоречит теории, согласно которой дублет (два пика) в спектре возникает именно из-за существования различных видов кластеров. Чтобы окончательно разобраться в природе расщепления, команда провела глубокий теоретический анализ, показав, что разделение пика вызывается не структурными особенностями, а быстрым распадом молекулы на ионы (H+ и OH-) уже в момент возбуждения рентгеновским фотоном.
Научная революция: взгляд на воду по-новому
Выводы исследователей радикально меняют подход к пониманию структуры воды. На основании полученных результатов становится ясно, что вода не является смесью различающихся по структуре кластеров, как считалось ранее. Вместо этого, её строение однородно на молекулярном уровне, а главное проявление двойного пика в рентгеновских спектрах связано с фундаментальными процессами внутри самой молекулы, а не с наличием "лёгких" или "тяжёлых" кластеров.
Эти открытия не только развеивают прежние догадки, но и открывают перед наукой совершенно новые горизонты для исследований природы воды и её необычных свойств. В современных условиях такое переосмысление базовых понятий особенно важно для развития физики, химии и смежных областей.
Вклад международного сотрудничества и перспективы
Проект реализован в полном сотрудничестве между российскими и зарубежными учёными. В работе также приняли участие исследователи из Университета Потсдама, Университета Цюриха, Университета Турку и ближних научных центров. Ведущим научным консультантом выступил доктор Фарис Гельмуханов. Такой синтез опыта и технических возможностей разных научных школ позволил добиться колоссальных результатов и подтвердить выводы как экспериментально, так и с помощью передовых теоретических расчетов.
Новое понимание микроструктуры воды может повлиять на прикладные исследования в области нанотехнологий, медицины, биофизики и экологии. Объединяя усилия на международном уровне, учёные уверены, что и в будущем открытий будет ещё больше — ведь единство в науке всегда ведёт к успеху и прогрессу.
Оптимизм и возможности для дальнейших исследований
Преодоление стереотипного взгляда на строение воды стало большим шагом к прогрессивному развитию науки. Благодаря открытиям СФУ и их зарубежных коллег перед мировым научным сообществом открываются перспективы для революционных исследований, новых открытий и технологических достижений. Вода, самая простая и самая сложная молекула для человечества, вновь доказала, что её тайны неисчерпаемы — и лучшие научные умы готовы к новым поискам.
Важнейшим достижением этой научной работы стало получение наиболее точной и детальной информации о том, каким образом водородные связи воздействуют на прочность связи между атомами кислорода и водорода (OH-связи). Исследование подобных межмолекулярных взаимодействий, происходящих в жидкой фазе, всегда было сложной задачей. До недавнего времени в арсенале ученых преобладала колебательная инфракрасная (ИК) спектроскопия, являющаяся универсальным методом анализа структуры водородных связей в жидкостях. Однако этот способ демонстрирует только преобладающие переходы — в состояние минимальной энергии колебаний, что делает его не столь чувствительным к тонким структурам межмолекулярного взаимодействия.
Новые возможности резонансного рассеяния
По-настоящему революционный подход предложила методика спектроскопии резонансного неупругого рентгеновского рассеяния. Она радикально отличается от классической ИК-спектроскопии. В этом эксперименте молекула воды взаимодействует с рентгеновским фотоном: электрон атома кислорода переходит с нижней занятой орбитали на верхнюю незанятую, а сама молекула при этом быстро диссоциирует. Процесс сопровождается возвращением возбужденного электрона на исходную орбиталь и испусканием рентгеновского фотона, обладающего другой, отличной от исходного, частотой.
Энергетические уровни, между которыми происходят эти переходы, открывают ученым доступ к протяженному ряду колебательных пиков — в отличие от ограниченного набора ИК-спектра. Как выяснилось, чем выше энергетическое состояние, тем дальше во время колебаний отстоят друг от друга атомы водорода и кислорода — а значит, тем сильнее проявляется влияние окружающих молекул через водородные связи.
Влияние структуры водородной сети
Метод резонансного рассеяния позволяет впервые так глубоко исследовать структуру и динамику водородных связей в жидкости. В истинно водном окружении, в отличие от одиночной молекулы воды, имеется огромное разнообразие параметров — ведь каждая из молекул взаимодействует не только со своими «соседями», но постоянно меняет их во времени. Таким образом, появляется распределение, состоящее из множества различных значений энергии связи между O и H, отражающих всю сложность и богатство жидкой структуры.
Один из ключевых итогов этой работы — впервые прямо измерено распределение потенциалов OH-связи в сложной, динамически изменяющейся сети водородных взаимодействий воды. Это открытие играет важную роль для понимания уникальных свойств воды — ведь именно структура и подвижность этих связей лежат в основе ее ряда аномалий и физических характеристик.
Путь к новым открытиям в науке о воде
Следующий шаг исследования, как отмечают ученые, связан с определением такого значимого параметра, как среднее количество водородных связей, приходящихся на каждую молекулу воды. Этот показатель способен дать ответ на целый спектр загадок: от скорости передачи звука в воде до ее удивительно высокой теплоемкости. Именно распределение чисел взаимодействий определяет, насколько плотно и упорядочено водные молекулы «держатся» друг за друга, а значит, формирует основу для уникальных физических и химических свойств самой обычной воды.
Об этом говорит профессор Фарис Гельмуханов, доктор физико-математических наук, сотрудник Королевского технологического института (Швеция) и Сибирского федерального университета (Россия), подчеркивая, что дальнейшее изучение энергетических спектров уже сегодня открывает путь к определению структурных характеристик жидкости, которые ранее были недоступны экспериментальным методам.
Международное научное сотрудничество
Над этим важным проектом работали исследователи из разных стран. К команде, возглавляемой профессором Гельмухановым, присоединились специалисты Университета Потсдама (Германия), Цюрихского университета (Швейцария) и Университета Турку (Финляндия). Объединение усилий ученых различных школ позволило реализовать масштабный и сложный эксперимент, получить новые уникальные сведения о строении и свойствах воды, столь важной для всей живой природы и современной науки.
Изображение: prasitsupho/Фотобанк RU.123.RF
Уникальные свойства воды: новое открытие учёных
Вода остаётся одной из самых загадочных субстанций на Земле. Несмотря на привычную простоту, её структура и поведение на молекулярном уровне до сих пор вызывают споры в научном мире. Недавно команда исследователей совместно с зарубежными коллегами провела масштабное исследование, результаты которого внесли существенные изменения в понимание устройства воды. Ученые тщательно проанализировали существующие теории и смогли убедительно опровергнуть одну из самых популярных концепций, долгое время считавшуюся общепринятой.
Прорыв в понимании структуры воды
Новые экспериментальные данные позволили специалистам взглянуть на воду под совершенно другим углом. Оказалось, что привычные представления о том, как устроены молекулы в воде и как они взаимодействуют друг с другом, нуждаются в фундаментальной корректировке. Наблюдения показали, что вода обладает ещё более разнообразными и необычными свойствами, чем предполагалось ранее. Это открытие открывает путь для новых технологий, способных использовать уникальные качества воды в различных сферах — от медицины до промышленности. Благодаря этим исследованиям становится ясно, что вода ещё таит в себе множество загадок, а наука, шаг за шагом, продолжает их раскрывать, принося несомненную пользу всему человечеству.
Источник: scientificrussia.ru
