Учёные впервые наблюдали молекулы, участвующие в водородных связях в жидкой воде, измеряя электронные и ядерные квантовые эффекты, которые ранее были доступны только с помощью теоретического моделирования.
Водородные связи являются ключевым взаимодействием, которое объединяет молекулы воды, но до сих пор квантовые явления, лежащие в их основе, были поняты только с помощью теоретического моделирования. Исследователям из EPFL удалось разработать новый метод, основанный на коррелированной колебательной спектроскопии (CVS), который позволяет измерять поведение молекул воды, которые участвуют в водородных связях.
CVS позволяет различать участвующие и случайно распределённые молекулы, что невозможно с помощью других методов.
Современные методы спектроскопии измеряют рассеяние лазерного света, вызванное вибрациями всех молекул в системе, поэтому приходится догадываться или предполагать, что то, что наблюдается, обусловлено интересующим молекулярным взаимодействием. С помощью CVS колебательная мода каждого отдельного типа молекулы имеет свой собственный колебательный спектр. И поскольку каждый спектр имеет уникальный пик, соответствующий молекулам воды, движущимся вперёд и назад вдоль водородных связей, мы можем напрямую измерить их свойства, например, насколько распределён электронный заряд и как это влияет на прочность водородных связей.
Сильви Роке, руководитель Лаборатории фундаментальной биофотоники в Инженерной школе EPFL
Чтобы отличить взаимодействующие и невзаимодействующие молекулы, учёные осветили жидкую воду фемтосекундными лазерными импульсами в ближнем инфракрасном спектре. Эти сверхкороткие вспышки создают колебания заряда и атомные смещения в воде, которые вызывают излучение видимого света.
Этот излучаемый свет проявляется в виде картины рассеяния, которая содержит ключевую информацию о пространственной организации молекул, в то время как фотоны содержат информацию о смещениях атомов внутри молекул и между ними.
Группа провела несколько экспериментов, направленных на использование CVS для разделения электронных и ядерных квантовых эффектов сетей водородных связей, например, путём изменения pH воды путём добавления гидроксид-ионов или протонов.
Гидроксид-ионы и протоны участвуют в образовании водородных связей, поэтому изменение pH воды меняет её реакционную способность. С помощью CVS мы теперь можем точно определить, сколько дополнительного заряда гидроксид-ионы отдают сетям водородных связей [8%] и сколько заряда принимают от них протоны [4%] — точные измерения, которые ранее невозможно было провести экспериментально.
аспирант Миша Флор, главный автор статьи
Эти значения были объяснены с помощью расширенного моделирования, проведённого командами из Франции, Италии и Великобритании.
Исследователи подчёркивают, что метод, который они также подтвердили с помощью теоретических расчётов, может быть применён к любому материалу, несколько новых экспериментов по его характеристикам уже проводятся.
«Возможность количественной оценки прочности водородных связей напрямую является мощным методом, который можно использовать для уточнения деталей на молекулярном уровне любого раствора, например, содержащего электролиты, сахара, аминокислоты, ДНК или белки. Поскольку CVS не ограничивается водой, он также может предоставить массу информации о других жидкостях, системах и процессах», — говорит Роке.