Ученые Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Министерстве энергетики США, Стэнфордского университета и Стокгольмского университета в Швеции впервые сделали прямое наблюдение того, как атомы водорода в молекулах воды взаимодействуют с соседними молекулами при возбуждении лазерным светом. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature.
Каждая молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода, а сеть водородных связей между положительно заряженными атомами водорода в одной молекуле и отрицательно заряженными атомами кислорода в соседних молекулах удерживает молекулы вместе. Сеть водородных связей определяет загадочные свойства воды, но до недавнего времени исследователи не могли напрямую наблюдать эффекты, возникающие при взаимодействии молекул воды со своими соседями, на атомном уровне.
Новое исследование впервые напрямую демонстрирует, что реакция сети водородных связей на импульс энергии критически зависит от квантово-механической природы того, как атомы водорода распределены в пространстве. Проблема была решена с помощью SLAC MeV-UED, высокоскоростной «электронной камеры», которая фиксирует малозаметные движения молекул через рассеивание мощного пучка электронов от образца.
Ученые создали струи жидкой воды толщиной 100 нанометров и заставили молекулы вибрировать с помощью инфракрасного лазерного света. Затем они направили на молекулы короткие импульсы высокоэнергетических электронов. В результате были получены снимки изменяющейся атомной структуры молекул с высоким разрешением. Оказалось, что когда возбужденная молекула воды начинает вибрировать, ее атом водорода притягивает атомы кислорода соседних молекулам воды ближе, прежде чем оттолкнуть их с вновь обретенной силой, расширяя пространство между молекулами.