Ssylka

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

18910Насколько хорошо вы знаете географию и природу первого национального парка йеллоустоун? 18909Как стремление к механической объективности в ранней астрофотографии скрывало... 18908Почему обновленные тактики Transparent Tribe и Patchwork угрожают кибербезопасности в... 18907Почему священное озеро хилук в Канаде покрывается разноцветными пятнами из минералов? 18906Почему рост инвентаря активов не снижает риски и как на самом деле измерять окупаемость... 18905Как киберпреступники использовали Google Cloud Application Integration для обхода систем... 18904Почему эволюция лишила человека способности управлять пальцами ног по отдельности, как... 18903Как нестандартная архитектура браузера Adapt и оптимизация рабочих процессов решают... 18902Как средневековые писательницы разрушили мужской миф о дружбе как зеркальном отражении? 18901Где искать на небе уникальное волчье суперлуние в соединении с Юпитером в начале 2026... 18900Ботнет RondoDox атакует 90 тысяч серверов через критическую уязвимость React2Shell 18899Что приготовила луна на 2026 год: когда наблюдать 13 полнолуний, кровавое затмение и... 18898Глобальная кампания кибершпионажа DarkSpectre скомпрометировала миллионы браузеров в... 18897Действительно ли человечеству необходимо колонизировать другие миры? 18896Особенности наблюдения метеорного потока квадрантиды в условиях январского полнолуния