Почему вода и тяжёлая вода так похожи, несмотря на разницу в составе?

Вода покрывает более 70% поверхности Земли и является основой жизни. Однако существует и её редкая форма — тяжёлая вода (D₂O), в которой обычный водород (H) заменён на дейтерий (D). Дейтерий отличается от водорода наличием одного дополнительного нейтрона и примерно вдвое большей массой. Несмотря на столь заметную разницу, тяжёлая вода встречается всего в нескольких частях на миллион, а её физические свойства удивительно схожи с обычной водой. Например, их температуры замерзания различаются всего на 4°C, что значительно меньше, чем можно было бы ожидать исходя из разницы в массе атомов.
Почему вода и тяжёлая вода так похожи, несмотря на разницу в составе?
Изображение носит иллюстративный характер

Исследователи из Института полимерных исследований Макса Планка под руководством Миши Бонна впервые экспериментально объяснили, почему вода и тяжёлая вода ведут себя так похоже. Ключевую роль играют два специфических квантовомеханических явления, называемых ядерными квантовыми эффектами (NQE). Эти эффекты проявляются на атомном уровне и практически уравновешивают друг друга, делая поведение обеих форм воды почти идентичным.

Суть квантовых эффектов заключается в том, что даже при абсолютном нуле (-273°C) атомы продолжают двигаться, обладая так называемой энергией нулевой точки. В молекуле воды водородные атомы вибрируют с большой амплитудой из-за своей малой массы — это и есть выраженный ядерный квантовый эффект. Когда водород заменяют на более тяжёлый дейтерий, его колебания становятся менее выраженными, и он ближе притягивается к атому кислорода. Это называется внутримолекулярным эффектом: молекула становится компактнее, а расстояние до соседних молекул увеличивается, что уменьшает энергию связи между ними.

Однако существует и противоположный по действию межмолекулярный эффект: атомы дейтерия способны колебаться перпендикулярно линии связи. Это увеличивает энергию связи между молекулами воды. Таким образом, внутримолекулярный и межмолекулярный квантовые эффекты действуют в противоположных направлениях и почти полностью компенсируют друг друга. Итог — свойства обычной и тяжёлой воды, в том числе температуры замерзания, оказываются очень близкими.

Для изучения этих явлений учёные применили уникальную методику — гетеродинно-детектированную суммарную генерацию частот (HD-SFG) спектроскопии. С её помощью исследовали самый верхний слой воды на границе с воздухом, где молекулы обладают большей свободой движения. Анализируя колебательные спектры воды с различными соотношениями водорода и дейтерия, исследователи смогли отдельно количественно измерить вклад внутримолекулярных и межмолекулярных энергетических компонентов.

Работа впервые предоставила экспериментальные доказательства того, что конкурирующие квантовые эффекты в воде действительно почти полностью компенсируют друг друга. Ранее этот факт был лишь теоретическим предположением. Статья с результатами была опубликована в журнале Science Advances.

Открытие подчёркивает значение квантовых явлений для понимания поведения воды — вещества, без которого невозможна жизнь. Такие результаты имеют важное значение для климатических исследований, биохимии и всех областей, где свойства воды играют ключевую роль. Кроме того, инновационный подход исследователей открывает новые возможности для изучения квантовых эффектов и в других сложных системах.


Новое на сайте

20066[b]Фотосинтез в глазах мышей: возможно ли это без превращения в растение?[/b] 20065[b]СПКЯ стало СПМЯ: почему переименование болезни, затрагивающей миллионы женщин, заняло... 20064[b]Почему великая пирамида Гизы пережила все землетрясения за 4500 лет[/b] 20063[b]Генетика Homo erectus: что зубная эмаль рассказала о наших предках[/b] 20062[b]Кости в бухте эребус: что кости моряков Франклина рассказывают спустя полтора века[/b] 20061[b]Крупнейший плавучий ветрогенератор в мире: Китай испытывает установку у берегов... 20060[b]Карие глаза младенца стали индиго после лечения от COVID-19[/b] 20058[b]Почему серебряная чаша с Афиной пролежала в немецком лесу две тысячи лет?[/b] 20057[b]Дыра в атмосфере солнца: вспышка достигла пика и может зажечь полярное сияние[/b] 20056[b]Динго возрастом 950 лет: кто и зачем кормил могилу животного сотни лет?[/b] 20055[b]Томоэ гозэн: женщина-самурай, которая существовала на самом деле[/b] 20054[b]Что видели астронавты «Аполлона-12» над лунным горизонтом?[/b] 20053[b]Восковой блокнот на латыни и шёлковая туалетная бумага: кто посещал средневековый... 20052[b]Хантавирус на борту: 41 человек под наблюдением после рейса MV Hondius[/b]
Ссылка