Замороженные атомы и возбужденные электроны: как ученые впервые наблюдали движение электронов в жидкой воде

Вода — самая распространенная и важная жидкость на Земле. Она состоит из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов и электронов. Атомы — это крошечные частицы, которые образуют ядро молекулы, а электроны — это еще более мелкие частицы, которые вращаются вокруг ядра. Движение этих частиц определяет свойства и поведение воды, а также ее реакцию на воздействие различных видов излучения.

Изучение воды на уровне атомов и электронов представляет большой интерес для науки, так как может помочь понять, как происходят химические реакции, вызванные излучением, например, в космосе, в медицине, в ядерной энергетике и в экологии. Однако, измерить движение электронов в жидкой воде очень сложно, так как они движутся с невероятной скоростью, а атомы, вокруг которых они вращаются, также постоянно колеблются и смещаются. Для того, чтобы захватить эти быстрые процессы, нужен особый инструмент, способный измерять время в аттосекундах — это настолько маленькие единицы времени, что в одной секунде их больше, чем самих секунд в истории вселенной.

Недавно группа ученых из нескольких научных учреждений США и Германии совершила прорыв в этой области, используя новую технику, которая позволила им «заморозить» движение атомов и «посмотреть» на электроны в жидкой воде. Их результаты были опубликованы в журнале Science и получили широкий резонанс в научном сообществе.

Как это работает?

Для своего эксперимента ученые использовали источник когерентного рентгеновского излучения линейного ускорителя (LCLS), расположенный в национальной лаборатории ускорителей SLAC в Калифорнии. Это одна из немногих установок в мире, которая может генерировать аттосекундные импульсы рентгеновских лучей — то есть импульсы, длительность которых составляет всего несколько аттосекунд. Рентгеновские лучи — это вид электромагнитного излучения, которое имеет очень высокую энергию и может проникать сквозь различные материалы, в том числе сквозь жидкую воду.

Ученые направили два импульса рентгеновских лучей на тонкую струю жидкой воды, распыляемую в вакуумной камере. Первый импульс, называемый насосом, служил для возбуждения электронов в молекулах воды, то есть для перевода их на более высокий уровень энергии. Второй импульс, называемый зондом, служил для измерения состояния электронов после возбуждения, то есть для получения спектра поглощения рентгеновского излучения водой. Временной интервал между насосом и зондом был настолько мал, что атомы воды не успели сдвинуться с места, а значит, не мешали наблюдению за электронами.

Таким образом, ученые смогли «заморозить» движение атомов и «увидеть» электроны в жидкой воде, а также отследить, как они меняют свое состояние под воздействием рентгеновского излучения. Это было сделано впервые в истории науки.

Зачем это нужно?

Эксперимент ученых не только демонстрирует новую технику, которая позволяет изучать воду на атомном и электронном уровне, но и разрешает давний научный спор о структуре жидкой воды. Ранее некоторые исследователи предполагали, что в воде существуют две различные структурные формы или «мотивы» — одна с четырьмя водородными связями между молекулами, а другая с двумя. Они опирались на рентгеновские сигналы, которые наблюдали в своих экспериментах, и считали, что они отражают разницу между этими двумя мотивами. Однако, новый эксперимент показал, что эти сигналы не связаны со структурой воды, а вызваны движением атомов водорода, которое было устранено в аттосекундном измерении. Таким образом, ученые подтвердили, что в окружающей жидкой воде нет двух структурных мотивов, а есть только одна динамическая структура, которая постоянно меняется из-за теплового движения молекул.

Это важное открытие для понимания свойств и поведения воды, а также ее реакции на воздействие различных видов излучения. Вода — это не только жизненно необходимая жидкость для всех живых организмов, но и важный компонент многих технологических процессов, таких как ядерная энергетика, лазерная физика, нанотехнологии и другие. Знание того, как вода реагирует на излучение, может помочь решать различные научные и практические задачи, связанные с безопасностью, эффективностью и экологией этих процессов.

Как это поможет науке и обществу?

Эксперимент ученых не только открывает новые горизонты для изучения воды, но и создает перспективы для применения аттосекундной науки к другим жидкостям и растворам, которые также играют важную роль в природе и технологии. Например, ученые планируют использовать свою технику для изучения концентрированных растворов, содержащихся в ядерных отходах, которые представляют собой сложную смесь различных химических веществ, подверженных длительному воздействию ионизирующего излучения. Понимание того, как происходят химические реакции в этих растворах, может помочь разработать более эффективные и безопасные способы обращения с ядерными отходами и защиты окружающей среды.

Кроме того, аттосекундная наука может быть использована для изучения других фундаментальных вопросов физики и химии, таких как динамика связывания и разрыва молекул, формирование и распад комплексов и кластеров, перенос заряда и энергии в молекулярных системах и другие. Эти процессы лежат в основе многих явлений и технологий, таких как фотосинтез, лазеры, солнечные батареи, каталитические реакции и другие. Аттосекундная наука может помочь раскрыть секреты этих процессов и улучшить их эффективность и контроль.

Таким образом, новая техника, разработанная учеными, является мощным инструментом для исследования воды и других жидкостей на атомном и электронном уровне, а также для понимания химических реакций, вызванных излучением. Это может принести большую пользу для науки и общества, а также стимулировать дальнейший прогресс в аттосекундной науке.