В одном из авторитетных мировых научных журналов «Scientific Reports» (входит в «Nature Publishing Group») опубликованы результаты двухлетних фундаментальных исследований о новых свойствах воды. Они имеют высокое значение для изучения свойств материалов и для управления химическими реакциями важнейшего элемента на Земле. Прикладное значение заключается в изучении процессов переноса энергии в конденсированных средах и разработке механизмов контроля фотостимулированных химических реакций. Это является важным шагом на пути к понимаю структуры жидкой воды.

Британское издание в марте 2017 года уделило внимание работе группы ученых из Сибирского федерального университета, которые проводят эксперименты в коллаборации с ведущими сотрудниками Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция). В ее международный состав вошли профессор СФУ Фарис Гельмуханов и доктор наук Виктор Кимберг (Швеция), а также красноярский физик, научный сотрудник СФУ Сергей Полютов и его аспиранты Нина Игнатова и Андрей Зимин.

Главным направлением их сотрудничества являются исследования по рентгеновской спектроскопии воды. Как объясняют физики актуальность своих разработок, молекулярная симметрия является одним из важных свойств квантовой и классической физики. Исследователи уверены: обнаруженное «coсуществование» локализованных и делокализованных колебаний в молекуле является исключительно важным в исследованиях миграции колебательных возбуждений в твердых телах и жидкостях.

«Например, симметрия известной молекулы воды — Н-О-Н — отражается на ее колебаниях, — рассказывает Фарис Гельмуханов. — Колебания атомов водорода делокализованы — в том смысле, что атомы водорода колеблются одновременно. Есть два типа колебаний. В одном из них атомы совершаются симметричные колебания, синхронно удаляясь или приближаясь к центральному атому кислорода. Атомы совершают также антисимметричные колебания: в этом случае они двигаются в одну сторону. Так создается единое целое относительно атома кислорода. Но картина качественно меняется при нарушении симметрии, если заменить один из атомов водорода (Н) его изотопом — атомом дейтерия (D)».

Напомним, что изотоп отличается от атома ядром, которое содержит теперь помимо положительно заряженного протона нейтральную частицу — нейтрон — с аналогичной массой, что и атом водорода. В результате получается молекула так называемой «тяжелой воды». Ее формула — Н-О-D, она несимметрична, поскольку изотоп почти в два раза тяжелее атома водорода. А связи ОН и ОD уже не являются эквивалентными: «легкий» Н-атом и «тяжелый» D-атом колеблются независимо и с разными частотами.

«Другими словами, колебания становятся локализованными на ОН- или ОD- связях. Этот факт, являясь общепринятым, твердо установлен и подтвержден многочисленными экспериментами инфракрасной спектроскопии. Важно подчеркнуть: сказанное справедливо лишь для НОD в ее основном электронном состоянии», — подчеркивает Виктор Кимберг.

Авторы обнаружили, что свойство локализации колебаний нарушается при облучении молекулы рентгеновским излучением. Воздействие переводит молекулу НОD в высоко возбужденное электронное состояние, где водород и дейтерий колеблются опять синхронно как в обычной молекуле воды.

Причина этой делокализации колебаний заключается в следующем. Как поясняет профессор Гельмуханов, «с точки зрения электростатического взаимодействия, колебания должны быть делокализованными, так как электростатически атомы Н и D являются одинаковыми. Действительно, у обоих атомов заряд ядра один и тот же. Другими словами, элетростатическое взаимодействие (электростатический потенциал) в НОD молекуле симметрично относительно перестановки H- и D-атомов. Молекулярный потенциал НОD- молекулы является точно таким же, как и для HOH-молекулы. Причиной нарушения симметрии является динамика в виде кинетической энергии H- и D-атомов, поскольку «легкий» H-атом двигается быстрее, чем «тяжелый» D-атом. Таким образом, локализация или делокализация колебаний зависит от соперничества между симметричным молекулярным потенциалом и ассиметричной кинетической энергией. Квантовые расчеты действительно показали: молекулярный потенциал в рентгеновски возбужденном состоянии настолько силен, что он «перевешивает» локализирующую роль кинетической энергии».

Работа:

doi:10.1038/srep43891 (http://www.nature.com/articles/srep43891).