Учёные впервые смогли наблюдать молекулы в водородных связях в жидкой воде при помощи нового метода коррелированной спектроскопии колебаний

Впервые исследователи сумели наблюдать молекулы, вступающие во взаимодействие посредством водородных связей в жидкой воде, изучая электронные и ядерные квантовые эффекты, которые ранее можно было исследовать лишь теоретически.

Водородные связи играют основополагающую роль в объединении молекул воды. Однако квантовые эффекты, на которых они построены, до сих пор были понятны исключительно через моделирование. Учёные из EPFL разработали инновационную методику, основанную на коррелированной колебательной спектроскопии (CVS), что позволяет изучать поведение молекул воды в контексте водородных связей.

Благодаря CVS возможно различение вовлечённых и случайно распределённых молекул, что не удается с помощью иных методов.

Современные спектроскопические методы фиксируют рассеяние лазерных лучей, вызванное вибрациями в молекулярной системе, что подразумевает домыслы о природе взаимодействий. В случае CVS, каждая молекула обладает уникальным спектром вибрации, и благодаря этому, мы можем непосредственно измерять особенности, такие как распределение электронного заряда и его влияние на силу водородных связей.

Сильви Роке, руководитель Лаборатории фундаментальной биофотоники в Инженерной школе EPFL

Чтобы отличить взаимодействующие и нейтральные молекулы, учёные использовали фемтосекундные лазерные импульсы в ближнем инфракрасном диапазоне. Эти короткие вспышки стимулируют колебания заряда и смещения атомов в воде, что приводит к испусканию видимого света.

В результате возникает картина рассеяния, дающая ключевые сведения о пространственном размещении молекул, в то время как фотоны отражают смещения атомов как внутри молекул, так и между ними.

Группа провела серию экспериментов для изоляции электронных и ядерных квантовых эффектов в сети водородных связей CVS, включая регулирование уровня pH путём добавления гидроксид-ионов или протонов.

Гидроксид-ионы и протоны участвуют в формировании водородных связей, поэтому изменение уровня pH изменяет химическую реактивность воды. С применением CVS мы можем детально определить, какой объем дополнительного заряда гидроксид-ионы передают водородным сетям [8%] и сколько заряда протоны принимают [4%] — ранее невозможные экспериментальные измерения.

аспирант Миша Флор, ведущий автор исследования

Эти результаты были обоснованы расширенным моделированием, выполненным исследовательскими группами из Франции, Италии и Великобритании.

Учёные подчеркивают, что разработанный ими метод, подтверждённый теоретическими расчётами, может быть применен к любым материалам, и уже начаты новые эксперименты для его оценки.

«Возможность точной оценки силы водородных связей — мощный инструмент для углубленного анализа на молекулярном уровне в любом растворе, включая электролиты, сахара, аминокислоты, ДНК или белки. Так как CVS не ограничен изучением воды, он способен предоставить богатую информацию о различных жидкостях и процессах», — отмечает Роке.

 

Источник: iXBT