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.
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.
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.
