Немецкие ученые из Рурского университета Бохума опровергли давнюю теорию о структуре сверхкритической воды. Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показало, что в сверхкритическом состоянии молекулы воды не образуют кластеры, как предполагалось ранее, а формируют лишь кратковременные связи.
Сверхкритическая вода существует при экстремальных условиях – температуре 374 градуса Цельсия и давлении 221 бар. В этом состоянии она одновременно проявляет свойства как жидкости, так и газа. Природное явление сверхкритической воды можно наблюдать в глубоководных гидротермальных источниках, известных как «черные курильщики». Особый интерес к сверхкритической воде вызван ее потенциалом в качестве «зеленого» растворителя для химических реакций – экологически безопасного, но при этом высокореактивного.
Исследовательская группа под руководством профессора Мартины Хавенит, заведующей кафедрой физической химии II, использовала комбинацию терагерцевой спектроскопии и молекулярно-динамического моделирования для изучения структуры сверхкритической воды. «Терагерцевая спектроскопия идеально подходит для нашего исследования, поскольку она специально определяет водородные связи между молекулами», – объясняет доктор Катя Мауэльсхаген, одна из авторов исследования.
Для проведения экспериментов в экстремальных условиях ученым пришлось разработать специальные измерительные ячейки с увеличенным диаметром, способные выдерживать высокие температуры и давление. Параллельно с экспериментами команда доктора Филиппа Шинбайна и профессора Доминика Маркса из кафедры теоретической химии проводила компьютерное моделирование процессов в сверхкритической воде методом молекулярной динамики ab initio.
Результаты исследования оказались неожиданными. Терагерцевые спектры сверхкритической и газообразной воды оказались практически идентичными, что опровергло гипотезу о существовании молекулярных кластеров в сверхкритическом состоянии. «Мы обнаружили, что в сверхкритической воде не существует молекулярных кластеров, связанных водородными связями, как предполагалось ранее», – отмечает доктор Герхард Шваб, соавтор исследования.
Ученые установили, что связи между молекулами воды в сверхкритическом состоянии чрезвычайно короткоживущие – примерно в 100 раз короче, чем водородные связи в жидкой воде. Кроме того, в отличие от обычных водородных связей, в сверхкритической воде отсутствует предпочтительная ориентация связей водород-кислород. Направление этих связей постоянно меняется, что делает невозможным формирование стабильных кластеров.
Особенно важным достижением исследования стало полное соответствие экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования. «Наши экспериментальные результаты идеально согласуются с данными моделирования, что подтверждает правильность наших выводов», – подчеркивает профессор Хавенит.
Это открытие имеет важное значение для понимания химических процессов в сверхкритической воде и может способствовать разработке новых технологий, использующих ее уникальные свойства. Исследование также демонстрирует, как современные методы спектроскопии и компьютерного моделирования позволяют раскрывать тайны веществ в экстремальных состояниях.
Изображение носит иллюстративный характер
Сверхкритическая вода существует при экстремальных условиях – температуре 374 градуса Цельсия и давлении 221 бар. В этом состоянии она одновременно проявляет свойства как жидкости, так и газа. Природное явление сверхкритической воды можно наблюдать в глубоководных гидротермальных источниках, известных как «черные курильщики». Особый интерес к сверхкритической воде вызван ее потенциалом в качестве «зеленого» растворителя для химических реакций – экологически безопасного, но при этом высокореактивного.
Исследовательская группа под руководством профессора Мартины Хавенит, заведующей кафедрой физической химии II, использовала комбинацию терагерцевой спектроскопии и молекулярно-динамического моделирования для изучения структуры сверхкритической воды. «Терагерцевая спектроскопия идеально подходит для нашего исследования, поскольку она специально определяет водородные связи между молекулами», – объясняет доктор Катя Мауэльсхаген, одна из авторов исследования.
Для проведения экспериментов в экстремальных условиях ученым пришлось разработать специальные измерительные ячейки с увеличенным диаметром, способные выдерживать высокие температуры и давление. Параллельно с экспериментами команда доктора Филиппа Шинбайна и профессора Доминика Маркса из кафедры теоретической химии проводила компьютерное моделирование процессов в сверхкритической воде методом молекулярной динамики ab initio.
Результаты исследования оказались неожиданными. Терагерцевые спектры сверхкритической и газообразной воды оказались практически идентичными, что опровергло гипотезу о существовании молекулярных кластеров в сверхкритическом состоянии. «Мы обнаружили, что в сверхкритической воде не существует молекулярных кластеров, связанных водородными связями, как предполагалось ранее», – отмечает доктор Герхард Шваб, соавтор исследования.
Ученые установили, что связи между молекулами воды в сверхкритическом состоянии чрезвычайно короткоживущие – примерно в 100 раз короче, чем водородные связи в жидкой воде. Кроме того, в отличие от обычных водородных связей, в сверхкритической воде отсутствует предпочтительная ориентация связей водород-кислород. Направление этих связей постоянно меняется, что делает невозможным формирование стабильных кластеров.
Особенно важным достижением исследования стало полное соответствие экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования. «Наши экспериментальные результаты идеально согласуются с данными моделирования, что подтверждает правильность наших выводов», – подчеркивает профессор Хавенит.
Это открытие имеет важное значение для понимания химических процессов в сверхкритической воде и может способствовать разработке новых технологий, использующих ее уникальные свойства. Исследование также демонстрирует, как современные методы спектроскопии и компьютерного моделирования позволяют раскрывать тайны веществ в экстремальных состояниях.
