Исследователи из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) совершили прорыв в понимании квантовых явлений, происходящих в кластерах воды. Команда под руководством профессора Хён-Джуна Шина из Департамента материаловедения и инженерии UNIST смогла наглядно продемонстрировать, как коллективное вращательное движение молекул воды способствует туннелированию протонов.
Исследование, опубликованное в престижном журнале Nano Letters, было проведено группой ученых, среди которых ключевую роль сыграли соавторы д-р Йохан Ким и д-р Хуэйцзюнь Хань. Ученые сосредоточились на изучении треугольных кластеров, состоящих из трех молекул воды, и обнаружили удивительные квантовые эффекты.
Протонное туннелирование — это квантово-механическое явление, при котором протоны (H+) преодолевают энергетические барьеры не путем накопления достаточной энергии для их преодоления, а «просачиваясь» сквозь них. Этот феномен имеет фундаментальное значение для понимания скорости химических реакций и стабильности биомолекул, включая ДНК.
Ключевое открытие исследования заключается в том, что при активации вращательного движения молекул воды происходит несколько важных изменений: расстояния между молекулами корректируются, кооперативность системы увеличивается, и протонное туннелирование значительно облегчается. В результате три протона из молекул воды коллективно преодолевают энергетические барьеры.
Для проведения экспериментов исследователи создали треугольное расположение трех молекул воды и анализировали изменения в их конфигурации. Они использовали сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) для манипулирования отдельными молекулами и изучения получаемых конфигураций. Эксперименты проводились в экстремальных условиях: молекулы воды были зафиксированы на солевой пленке в условиях сверхвысокого вакуума (10^-11 Торр) при криогенных температурах от -268,75°C до -257,15°C.
Наблюдения показали, что треугольное расположение молекул воды искажается влево или вправо (явление изомерии), причем направление искажения часто менялось. Когда через зонд СТМ подавалось определенное напряжение, искаженная структура трансформировалась ближе к равностороннему треугольнику, активировалось вращательное движение, расстояния водородных связей корректировались, кооперативность усиливалась, и происходило коллективное туннелирование протонов.
Для подтверждения своих выводов ученые провели теоретические расчеты и сравнили скорости туннелирования между тяжелой водой (D₂O) и обычной водой (H₂O), что дополнительно подтвердило их открытия.
По словам профессора Шина, это исследование экспериментально проясняет роль вращательного движения молекул и кооперативности в квантовых процессах. Полученные результаты могут открыть новые стратегии для контроля реакций в химических процессах, катализе и преобразовании энергии, что имеет огромное значение для развития современных технологий и понимания фундаментальных процессов в природе.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследование, опубликованное в престижном журнале Nano Letters, было проведено группой ученых, среди которых ключевую роль сыграли соавторы д-р Йохан Ким и д-р Хуэйцзюнь Хань. Ученые сосредоточились на изучении треугольных кластеров, состоящих из трех молекул воды, и обнаружили удивительные квантовые эффекты.
Протонное туннелирование — это квантово-механическое явление, при котором протоны (H+) преодолевают энергетические барьеры не путем накопления достаточной энергии для их преодоления, а «просачиваясь» сквозь них. Этот феномен имеет фундаментальное значение для понимания скорости химических реакций и стабильности биомолекул, включая ДНК.
Ключевое открытие исследования заключается в том, что при активации вращательного движения молекул воды происходит несколько важных изменений: расстояния между молекулами корректируются, кооперативность системы увеличивается, и протонное туннелирование значительно облегчается. В результате три протона из молекул воды коллективно преодолевают энергетические барьеры.
Для проведения экспериментов исследователи создали треугольное расположение трех молекул воды и анализировали изменения в их конфигурации. Они использовали сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) для манипулирования отдельными молекулами и изучения получаемых конфигураций. Эксперименты проводились в экстремальных условиях: молекулы воды были зафиксированы на солевой пленке в условиях сверхвысокого вакуума (10^-11 Торр) при криогенных температурах от -268,75°C до -257,15°C.
Наблюдения показали, что треугольное расположение молекул воды искажается влево или вправо (явление изомерии), причем направление искажения часто менялось. Когда через зонд СТМ подавалось определенное напряжение, искаженная структура трансформировалась ближе к равностороннему треугольнику, активировалось вращательное движение, расстояния водородных связей корректировались, кооперативность усиливалась, и происходило коллективное туннелирование протонов.
Для подтверждения своих выводов ученые провели теоретические расчеты и сравнили скорости туннелирования между тяжелой водой (D₂O) и обычной водой (H₂O), что дополнительно подтвердило их открытия.
По словам профессора Шина, это исследование экспериментально проясняет роль вращательного движения молекул и кооперативности в квантовых процессах. Полученные результаты могут открыть новые стратегии для контроля реакций в химических процессах, катализе и преобразовании энергии, что имеет огромное значение для развития современных технологий и понимания фундаментальных процессов в природе.
