За физиката чашата с вода е два различни свята. Първият

За физиката чашата с вода е два разнообразни свята. Първият е „ дебелината “, средата, в която всяка молекула H₂O е крепко обвързвана с четирите си прилежащи молекули посредством водородни връзки, образувайки здрава тетраедрична конструкция. Вторият свят е повърхността. Тънък пласт с дебелина един атом, където този ред се унищожава. Тук молекулите са изправени пред пустош, няма защо да се заловен от горната страна.

Знаем доста за водата, само че нейната повърхнина (границата сред течност и изпарения) остава едва проучена. Стандартните уреди или проникват през водата, пренебрегвайки тънката граница, или дават данни, които не могат да се интерпретират еднопосочно.

Екип от откриватели от Националната ускорителна лаборатория SLAC и Бъркли, употребявайки един от най-мощните рентгенови лазери в света, приложи способ, при който детекторът физически не вижда нищо друго с изключение на самата повърхнина. Резултатите, оповестени в Nature Communications, демонстрират: водата на границата на повърхността в действителност е друго вещество с неповторима електронна конструкция.

Парадоксът на симетрията

За да видят невидимото, физиците са употребявали резултат от квантовата оптика, прочут като генериране на втора хармоника (SHG).

Същността на резултата: натоварен светлинен лъч с избрана периодичност се изпраща към даден материал. При взаимоотношението си с веществото два фотона се сливат в един, само че с два пъти по-голяма сила и периодичност. Основната характерност на този развой е неговата селективност. В среди, притежаващи централна симетричност, генерирането на втората хармоника е неразрешено от законите на физиката (в диполното приближение).

Водният дирек е безреден, само че приблизително изотропен и съразмерен. Следователно за SHG тя е транспарантна – няма сигнал. Но на повърхността симетрията неизбежно се нарушава: „ Горната част “ е друга от „ долната “. Следователно, в случай че насочите лъча към бликам вода, отразеният сигнал с двойна периодичност може да се породи единствено на границата. Всичко, което е по-дълбоко, просто не съществува за тоьи детектор.

Рентгеновият скалпел

Преди време това е правено с забележима светлина или ултравиолетова светлина. Но оптичните лазери дават единствено косвена информация за вибрациите на молекулите. За да надникнете в електронната душа на едно вещество, са ви нужни рентгенови лъчи.

Екипът на SLAC е употребявал меко рентгеново лъчение с генериране на втора естетика (SXSHG – Soft X-ray Second Harmonic Generation).

Източникът XFEL генерира атосекундни импулси от меки рентгенови лъчи (които в началото съдържат дребен брой фотони от втората хармоника). Енергията на всеки подтик се мери безконтактно посредством газов екран (GMD

Източникът: лазер със свободни електрони LCLS (Linac Coherent Light Source). Той обезпечава атосекундни импулси с висока мощ. Мишената: микроструйка от вода с формата на плосък лист с дебелина под 500 нанометра, летяща в бездънен вакуум. Трудността: рентгеновите лъчи се гълтам от водата и въздуха, а сигналът от втората хармоника е извънредно слаб – той е на порядъци по-слаб от фоновия звук от самия лазер.

За да уловят потребния сигнал, учените е трябвало безусловно да пресеят фотоните, анализирайки тяхната корелация и прекъсвайки паразитните процеси като флуоресценцията.

Изместването с 5 електронволта

Какво се видя, когато почистиха данните от шума? Абсорбционният набор на повърхностната вода е радикално друг от този на водата в насипно положение.

Пикът на втория съразмерен сигнал е преместен с ~5 електронволта по-високо в енергийно отношение по отношение на общоприетото рентгеново усвояване във водния дирек. На езика на спектроскопията това е голяма разлика. Тя значи, че електроните в повърхностните молекули се намират в изцяло друга среда.

За да разшифроват тази смяна, създателите ползват способи за компютърното моделиране (теория на функционалната компактност и молекулярна динамика). Изчисленията демонстрират, че сигналът идва от характерна група молекули-скитници.

В дълбочината на чашата една водна молекула нормално работи като донор и акцептор на водородните връзки – тя по едно и също време дава и получава. От друга страна, на повърхността доминират молекули, които работят като самотни акцептори. При тях прекъснатите връзки излизат на открито в празното пространство. Именно тези непълни връзки трансформират електронната компактност, тъй че за възбуждането на електрона е нужна друга сила.

Всъщност опитът удостовери, че: повърхността на водата е химически по-активна и нападателна спрямо нейната дълбочина, точно поради тези молекули, „ гладни “ за връзки.

Хармоникът, приближаващ от източника XFEL, се потиска от самата вода (линейно поглъщане) и от резултата на преходното усвояване (TA), който провокира главният вързоп. Самият SHG развой прибавя спомагателни фотони (полезен сигнал) към тази област на спектъра

Защо би трябвало да знаем това?

Проблемът с проучването на водата е в това, че сме екстраполирали свойствата на „ обемната “ течност върху нейната повърхнина. Новото проучване потвърждава, че това е погрешно. Интерфейсът сред водата и водните пари има неповторима електронна компактност и химичен капацитет. Той трансформира разбирането ни за процесите в три основни области:

Климатологията и газообмена. Поглъщането на въглеродния диоксид и изпарението на вода в океана не е просто механично разбъркване. Това са химически реакции, протичащи на точно фазовата граница. Ефективността, с която молекулите на CO₂ се улавят от водната повърхнина, е в директна взаимозависимост от съществуването на свободни водородни връзки. Откритите „ единични акцептори “ (молекули с неосъществени връзки) могат да служат като доста дейни центрове, които дефинират скоростта на световния газов продан. Молекулярната биология. Биологичните макромолекули (протеини, ДНК) рядко се намират в „ чиста “ вода; те са заобиколени от солватни обвивки и взаимодействат с клетъчните мембрани. Структурата на водата в тези гранични пластове (интерфейси) диктува по какъв начин се сгъват протеините и по какъв начин йоните минават през мембранните канали. Методът SXSHG за първи път дава инструмент за непосредствено наблюдаване на пренареждането на водородната мрежа в тези сериозни зони. Енергията и катализата. При технологиите за разделяне на водата (производство на водород) и при горивните кафези основните реакции се реализират на повърхността на електрода. Разбирането на това по какъв начин се трансформира електронната конструкция на водата, когато тя влиза в контакт с друга среда, ще даде опция на инженерите да разработят по-ефективни катализатори, като понижат енергийните разноски за електролиза.

Резюме

Основното достижение на тази научна работа е не просто фиксирането на спектралната смяна, а одобряването на нов инструментариум. Комбинацията от рентгенов лазер със свободни електрони (XFEL) и генериране на втори хармоници (SXSHG) се оказа извънредно ефикасна.

Физиците получиха метод за селективно проучване на електронните положения на повърхността на течността, като изцяло изключиха сигнала от дълбините. Това удостовери теоретичните модели: повърхностният пласт на водата е термодинамично изолирана фаза с висока централизация на молекули с ненаситени водородни връзки.

(function() { const banners = [ // --- БАНЕР 1 (Facebook Messenger) --- `