В смарагда откриха ново състояние на водата

Физици от американската Национална лаборатория в Оук Ридж са открили ново състояние на водата в наноразмерни канали на кристали берил (смарагд и аквамарин се явяват негови подвидове).

Както показали експериментите и моделирането, молекулите H₂O, затворени в берила, поради квантово тунелиране се превръщат в „смазани копия на самите себе си“ и например губят диполен момент. Изследването е публикувано в изданието Physical Review Letters, съобщава сайтът на Американското физическо общество.

Берилът – минерал с химическа формула Be₃Al₂Si₆O₁₈ – образува много тънки и дълги канали, които могат да се напълнят с вода. В тези канали съществуват стеснения, „камери“ с диаметър 0,5 и дължина 0,9 нанометра, в които може да се побере само една молекула H₂O.

Предишни наблюдения с помощта на спектроскопия в терахерцовия диапазон са установили, че молекулите вода в бериловите нанокапиляри възможно участват в тунелирането, тоест могат да „прескачат“ между различни квантови състояния. Но физиците досега нямаха доказателства за тунелиране и разбиране на неговия механизъм.

В новото изследване учените са наблюдавали поведението на водата с помощта на неутронна спектроскопия и успоредно а изчислявали поведението на молекулите в кристалите на компютър, по метода ab initio (от първите принципи – тоест моделирането включвало квантови ефекти). В статията си изследователите описват как са успели не само да предскажат появата на пикове, точно съответстващи на преходи между различните ориентации на една молекула вода, но и да фиксират тези пикове в експеримента.

Освен това физиците видели спадане на интензивността на пиковете с нарастването на температурата – това се явява сигурен признак на тунелиране, тъй като неговата вероятност спада при нагряване, за разлика от вибрационните преходи.

Поведението на водата в берила, според събраните данни, изглежда по следния начин. Каналът, в който се намира молекулата, има шест страни. Кислородният атом в молекулата вода се намира почти в центъра на канала, а двата водородни атома са обърнати към едната от шестте страни. От енергийна гледна точка ориентацията на всяка от шестте страни е еднакво вероятна, но в канала молекулата не може да се обърне и да премине от една ориентация в друга – каналът е прекалено тесен и е необходима прекалено много енергия.

© A. I. Kolesnikov et al., Phys. Rev. Lett. (2016)

Именно тук се проявява ефектът на квантовото тунелиране, следи от което физиците са забелязвали по-рано в терахерцовите спектри. Оказва се, че молекулата вода може да промени ориентацията от една стена на друга, без да пребивава в средно положение – тя тунелира от началната в крайната точка на обръщането.

Освен това, тъй като всички шест положения са еквивалентни, то тунелирането протича еднакво между всички положения. Фактически двата водородни атома на H₂O се размазват в пространството, образувайки нещо от рода на плътен геврек около центъра на канала.

Такова странно поведение на водата на микрониво предизвиква и макроскопични ефекти – водата в берила например губи диполен момент. Обикновено той се изразява в това, че водородните атоми (които частично са заредени положително) гледат в една посока, а кислородният атом (който частично е зареден отрицателно) – в друга.

Но в „бериловата вода“ водородните атоми са делокализирани и молекулата няма положително и отрицателно заредени части. Тъй като много свойства на водата зависят пряко от диполния момент, такова състояние на водата изглежда доста необичайно. Освен това е невъзможно то да се пренесе от капилярите в разтвор.

Учените отбелязват, че подобни състояния на водата не са свързани задължително с берила или минералите изобщо. Те могат да възникват и при други силни пространствени препятствия и в други материали – например във йонните канали на белтъците или в мембраните.