Как молекулярное движение воды контролирует квантовое туннелирование протонов?

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.
Как молекулярное движение воды контролирует квантовое туннелирование протонов?
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.


Новое на сайте

19817В Луксоре нашли стелу с римским императором в образе фараона 19816Экипаж Artemis II о моменте, когда земля исчезла за луной 19815Почему луна выглядит по-разному в разных точках земли? 19814Adobe экстренно закрыла опасную дыру в Acrobat Reader, которую хакеры использовали с... 19813Метеорный поток, рождённый из умирающего астероида 19812Когда робот пишет за тебя прощальную смс 19811Что общего у лунной миссии, толстого попугая, загадочной плащаницы и лекарства от диабета? 19810Какие снимки Artemis II уже стали иконами лунной программы? 19809Кто на самом деле хочет сладкого — вы или ваши бактерии? 19808Как рекламные данные 500 миллионов телефонов оказались в руках спецслужб? 19807Экипаж Artemis II вернулся на землю после десяти дней в космосе 19806Зелёная и коричневая луна: почему геологи Artemis II уже не могут усидеть на месте 19805Эксперты уверены в теплозащитном щите Artemis II, несмотря на проблемы предшественника 19804Выжить внутри торнадо: каково это — когда тебя засасывает в воронку 19803Аляскинские косатки-охотники на млекопитающих замечены у берегов Сиэтла
Ссылка