В смарагда откриха ново състояние на водата
Физици от американската Национална лаборатория в Оук Ридж са разкрили ново положение на водата в наноразмерни канали на кристали берил (смарагд и аквамарин се явяват негови подвидове).
Както посочили опитите и моделирането, молекулите H 2 O, затворени в берила, заради квантово тунелиране се трансформират в „ смазани копия на самите себе си “ и да вземем за пример губят диполен миг. Изследването е оповестено в изданието Physical Review Letters, оповестява уеб сайтът на Американското физическо общество.
Берилът – минерал с химическа формула Be 3 Al 2 Si 6 O 18 – образува доста тънки и дълги канали, които могат да се изпълнят с вода. В тези канали съществуват стеснения, „ камери “ с диаметър 0,5 и дължина 0,9 нанометра, в които може да се побере единствено една молекула H 2 O.
Предишни наблюдения благодарение на спектроскопия в терахерцовия диапазон са открили, че молекулите вода в бериловите нанокапиляри допустимо вземат участие в тунелирането, т.е. могат да „ прескачат “ сред разнообразни квантови положения. Но физиците до момента нямаха доказателства за тунелиране и схващане на неговия механизъм.
В новото проучване учените са следили държанието на водата благодарение на неутронна спектроскопия и паралелно а изчислявали държанието на молекулите в кристалите на компютър, по метода ab initio (от първите правила – т.е. моделирането включвало квантови ефекти). В публикацията си откривателите разказват по какъв начин са съумели освен да предскажат появяването на пикове, тъкмо съответстващи на преходи сред другите ориентации на една молекула вода, само че и да фиксират тези пикове в опита.
Освен това физиците видели намаляване на интензивността на пиковете с повишаването на температурата – това се явява сигурен симптом на тунелиране, защото неговата възможност спада при нагряване, за разлика от вибрационните преходи.
Поведението на водата в берила, съгласно събраните данни, наподобява по следния метод. Каналът, в който се намира молекулата, има шест страни. Кислородният атом в молекулата вода се намира съвсем в центъра на канала, а двата водородни атома са обърнати към едната от шестте страни. От енергийна позиция ориентацията на всяка от шестте страни е еднообразно евентуална, само че в канала молекулата не може да се обърне и да премине от една ориентировка в друга – каналът е прекомерно стеснен и е нужна прекомерно доста сила.
© A. I. Kolesnikov et al., Phys. Rev. Lett. (2016)
Именно тук се демонстрира резултатът на квантовото тунелиране, следи от което физиците са забелязвали по-рано в терахерцовите спектри. Оказва се, че молекулата вода може да промени ориентацията от една стена на друга, без да обитава в приблизително състояние – тя тунелира от началната в крайната точка на обръщането.
Освен това, защото всички шест положения са еквивалентни, то тунелирането протича еднообразно сред всички положения. Фактически двата водородни атома на H 2 O се размазват в пространството, образувайки нещо от рода на компактен геврек към центъра на канала.
Такова необичайно държание на водата на микрониво провокира и макроскопични резултати – водата в берила да вземем за пример губи диполен миг. Обикновено той се показва в това, че водородните атоми (които отчасти са заредени положително) гледат в една посока, а кислородният атом (който отчасти е зареден отрицателно) – в друга.
Но в „ бериловата вода “ водородните атоми са делокализирани и молекулата няма позитивно и негативно заредени елементи. Тъй като доста свойства на водата зависят директно от диполния миг, такова положение на водата наподобява много извънредно. Освен това е невероятно то да се придвижи от капилярите в разтвор.
Учените означават, че сходни положения на водата не са свързани наложително с берила или минералите въобще. Те могат да пораждат и при други мощни пространствени трудности и в други материали – да вземем за пример във йонните канали на белтъците или в мембраните.
