Исследование проливает новый свет на водородные связи воды
Вода — уникальное вещество, поведение которого порой вызывает у ученых больше вопросов, чем ответов. Ее свойства, например то, что наибольшей плотности вода достигает при температуре +4°C, а также что она может формировать ледяные айсберги, плавающие на поверхности, давно считаются аномальными. Команда специалистов из Института исследования полимеров им. Макса Планка в Германии сделала новый шаг в разгадке молекулярных тайн воды, обнаружив необычное поведение водородных связей, которые соединяют молекулы воды друг с другом.
Особенность воды заключается в ее способности образовывать водородные связи — своеобразные «мосты», которые соединяют молекулы. Каждая молекула воды может отдавать две связи через свои атомы водорода и принимать две от соседних молекул. Однако, в отличие от льда, где эти связи фиксированы, в жидкой воде они образуются и разрушаются с невероятной скоростью — около триллиона раз в секунду. Это позволяет молекулам свободно двигаться и плотнее упаковываться, создавая жидкую структуру.
Ранее считалось, что силы водородных связей в жидкости распределены случайно. Однако группа ученых под руководством Йоханнеса Хангера обнаружила, что это не так. Они выяснили, что одна из связей молекулы воды может быть сильной, а другая — слабой. Если одна соседняя молекула воды находится очень близко, то другая оказывается заметно дальше. Такой баланс приводит к своеобразной организации молекул в жидкой воде.
Чередование «сильных» и «слабых» связей создает из молекул воды упорядоченные структуры — кольца или цепочки. Таким образом, жидкая вода, которая внешне кажется хаотичной и беспорядочной, на самом деле имеет скрытую организованность, обусловленную закономерностями взаимодействия ее молекул.
Для изучения этого феномена ученые провели эксперименты с разведенной водой, добавив в нее вещество-растворитель. Используя лазеры, они заставили отдельные атомы воды вибрировать и изучили, как эти вибрации влияют друг на друга. Это позволило одновременно измерить силу водородных связей и их взаимодействие с соседними связями.
Результаты этого исследования стали важным вкладом в понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе аномального поведения воды. Теперь эксперты надеются, что их открытия помогут глубже изучить не только фундаментальные свойства воды, но и ее роль в таких процессах, как формирование льда, функционирование биологических систем и поведение других жидкостей.
Ранее ученые разработали новую эффективную технологию сбора воды из воздуха.
