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

20003[b]Гавайи в серебристом зареве: солнечный блик на фоне урагана Кико[/b] 19989Шесть историй, которые умещаются на ладони 19986Как 30 000 аккаунтов Facebook оказались в руках вьетнамских хакеров? 19985LofyGang вернулась: как бразильские хакеры охотятся на геймеров через поддельные читы 19984Автономная проверка защиты: как не отстать от ИИ-атак 19983Взлом Trellix: хакеры добрались до исходного кода одной из ведущих компаний по... 19982Почему почти 3000 монет в норвежском поле перевернули представление о викингах? 19981Как поддельная CAPTCHA опустошает ваш счёт и крадёт криптовалюту? 19980Слежка за каждым шагом: как ИИ превращает государство в машину тотального контроля 19979Как хакеры грабят компании через звонок в «техподдержку» 19978Почему именно Нью-Йорк стал самым уязвимым городом восточного побережья перед... 19977Как одна команда git push открывала доступ к миллионам репозиториев 19976Зачем древние народы убивали ножами и мечами: оружие как основа власти 19975Как Python-бэкдор DEEPDOOR крадёт ваши облачные пароли незаметно? 19974Послание в бутылке: математика невозможного
Ссылка