Znanstveniki s sibirske zvezne univerze so skupaj s kolegi s švedskega Kraljevskega tehnološkega inštituta ovrgli najbolj priljubljeno teorijo o strukturi vode. V svojem delu so raziskovalci predlagali novo teorijo, ki je skladna z rezultati njihovega eksperimenta. Delo je bilo objavljeno v reviji Nature Communications. Raziskavo je podprla štipendija Ruske znanstvene fundacije.
Voda je ena najpogostejših, a hkrati nenavadnih snovi na Zemlji. Ima številne netipične lastnosti zaradi svoje posebne strukture, na primer visoke toplotne zmogljivosti in nizke električne prevodnosti. Splošno je sprejeto, da voda sestoji iz molekul H2O, združenih v skupine s tako imenovanimi vodikovimi vezmi. Njihova prisotnost je posledica privlačnosti med pozitivno nabitimi vodikovimi atomi in negativno nabitimi kisikovimi atomi.
Proste molekule, ki niso vključene v grozde (skupine molekul, vezane na vodikove vezi), so prisotne v le majhni količini. Mnogi znanstveniki verjamejo, da je voda nenehno spreminjajoča se mešanica lahkih in težkih grozdov. V prvem se molekule vežejo med seboj (kot v ledu), v drugem pa se porušijo vezi, zaradi katerih so takšni sistemi gostejši. Prisotnost teh faz je mogoče zaznati z resonančnim neelastičnim sipanjem rentgenskih fotonov po vodi. V tem primeru je videti prehod, v katerem elektron iz zasedene molekulske orbite napolni luknjo, na mestu katere je bil elektron prej izločen s fotonom. Poskus s tekočo vodo kaže razcepitev resonance na dva vrha. V znanstveni literaturi dobljeni dvojnik pripišemo gručam lahkih in težkih tipov.
Da bi osvetlili to temeljno težavo, so avtorji dela izvedli poskus z vodno paro, kjer ni vodikovih vezi. Med študijo so izmerili spekter resonančnega neelastičnega sipanja izolirane molekule. Poskusi so privedli do nepričakovanega rezultata in pokazali, da je v rentgenskih spektrih razprševanja molekul vode v plinski fazi prisotno popolnoma enako cepitev resonance na dva vrha. Poleg tega opravljeni teoretični izračuni nedvoumno razlagajo razcepitev v spektru z ultra hitrim razpadom (disociacijo) molekule vode v N + in ON- ione. Tako študija daje dokaze o dinamični naravi resonančnega cepitve in ovrže strukturni mehanizem in s tem dokaže, da je struktura vode homogena.
Drugi nič manj pomemben rezultat tega dela je pridobivanje podrobnih strukturnih informacij o tem, kako vodikove vezi vplivajo na trdnost OH vezi. Vibracijska infrardeča (IR) spektroskopija je pogosto uporabljeno orodje za preučevanje vodikovih vezi v tekočinah. Toda v njih IR spektroskopija kaže le najintenzivnejši prehod v stanje z minimalno energijo vibracij, ki "šibko zazna" medmolekularno interakcijo. Resonantna neelastična razpršilna spektroskopija vode se kvalitativno razlikuje od IR spektroskopije po tem, da energijski kisik, ki je prejel energijo iz rentgenskega fotona, prehaja iz najgloblje orbite v prvo nezasedeno. Zaradi tega se molekula vode hitro disociira.
V procesu se vzburjeni elektron premakne nazaj na svojo najglobjo raven in oddaja foton. Frekvenca nihanja izsevanega fotona se razlikuje od frekvence vzburljivega fotona, saj med tem prehodom elektroni padejo na nivoje z višjo energijo. Tako v nasprotju z IR-spektrom spekter resonančnega neelastičnega sipanja sestoji iz razširjenega niza vibracijskih vrhov. Čim višje je vibracijsko stanje, tem dlje se vodikovi atomi oddaljujejo od kisika v procesu vibracij vezi med O in H in močnejša ta vibracija občuti interakcijo z najbližjo molekulo vode, in sicer vodikovo vezjo. Resonantno neelastično sipanje ponuja edinstveno priložnost za preučevanje vodikovih vezi, predvsem pa na podlagi spektra določiti, kako sosednje molekule preko vodikove vezi vplivajo na potencial interakcije OH-vezi.
„Pomembno je opozoriti, da za razliko od izolirane molekule vode z eno energijo interakcije O in H obstaja množica (porazdelitev) takšnih energij v tekočini zaradi raznolikosti neposrednega okolja molekule vode. Drugi rezultat dela je torej meritev porazdelitve OH-potencialov v mreži nenehno spreminjajočih se vodikovih vezi. Na naslednji stopnji raziskav je treba ugotoviti, ali je mogoče določiti tako pomemben strukturni parameter, kot je povprečno število vezi v molekuli iz spektra resonančnega neelastičnega sipanja vode. Določa energijo interakcije slednjega z okolico in s tem lastnosti, kot so hitrost zvoka v vodi in njegova toplotna zmogljivost, doda Faris Gelmukhanov, doktor fizike in matematike, profesor s Kraljevega inštituta za tehnologijo (Stockholm, Švedska),Starejši raziskovalec na Sibirski zvezni univerzi.
Pri delu so sodelovali tudi znanstveniki z univerze v Potsdamu (Nemčija), univerze v Zürichu (Švica) in univerze v Turku (Finska).
Promocijski video: