Science: Новый метод спектроскопии раскрывает квантовые секреты воды

Вода — это жизнь. Но водородные связи, объединяющие молекулы воды, до сих пор остаются неизученными. Эти связи возникают при взаимодействии атомов водорода и кислорода между молекулами воды.

Обмен электронными зарядами между ними создает трехмерную сеть «H-связей», которая придает жидкой воде ее уникальные свойства. Квантовые явления в основе таких сетей были понятны только через теоретическое моделирование.

Исследователи под руководством Сильви Роке из лаборатории фундаментальной биофотоники Инженерной школы EPFL разработали новый метод — корреляционную колебательную спектроскопию (CVS). Он позволяет измерить поведение молекул воды, участвующих в образовании сетей водородных связей.

Спектроскопия дает возможность ученым отличать взаимодействующие молекулы от невзаимодействующих, которые не связаны водородной связью. Другие методы измеряют оба типа молекул одновременно, что делает невозможным их различение.

Современные методы спектроскопии измеряют рассеяние лазерного света, вызванное колебаниями молекул в системе. Поэтому исследователям приходится догадываться, что наблюдаемое явление обусловлено интересующим их молекулярным взаимодействием.

В CVS у каждого типа молекул есть свой колебательный спектр с уникальным пиком, соответствующим молекулам воды, движущимся вдоль H-связей. Это позволяет напрямую измерять свойства молекул, например, разделение электронного заряда и его влияние на прочность H-связей.

Метод, о котором рассказала команда, может стать важным инструментом для изучения взаимодействий в любых материалах. О нем написали в журнале Science.

Взгляд на вещи под новым углом

Чтобы определить, как молекулы воды взаимодействуют друг с другом, ученые освещали жидкую воду ультракороткими вспышками лазера в ближнем инфракрасном диапазоне. Эти вспышки вызывают колебания заряда и смещения атомов в воде, что приводит к излучению видимого света.

Цвет фотонов содержит информацию о том, как атомы внутри молекул и между ними смещаются, а картина рассеяния — информацию о пространственной организации молекул.

Обычно в экспериментах спектрографический детектор размещают под углом 90 градусов к входящему лазерному лучу. Но мы выяснили, что можем исследовать взаимодействующие молекулы, если изменить положение детектора и записать спектры с помощью определенных комбинаций поляризованного света. Так можно создать отдельные спектры для невзаимодействующих и взаимодействующих молекул, — объясняет Роке.

Команда провела ряд экспериментов, чтобы использовать CVS для разделения электронных и ядерных квантовых эффектов сетей H-связей. Для этого меняли pH воды, добавляя гидроксид-ионы (чтобы сделать ее более основной) или протоны (для кислоты).

Изменение pH воды влияет на ее реакционную способность, потому что в H-связях участвуют гидроксид-ионы и протоны, — говорит аспирант Миша Флор, первый автор статьи.

С помощью CVS ученые смогли точно измерить вклад гидроксид-ионов в сеть H-связей (8%) и количество заряда, которое они отдают протонам (4%). Раньше такие точные измерения были невозможны. Эти результаты объяснили с помощью передового моделирования, проведенного учеными из Франции, Италии и Великобритании.

Исследователи доказали эффективность метода с помощью теоретических расчетов. Его можно применять к любым материалам. Сейчас проводятся новые эксперименты для определения характеристик.

По словам Роке, метод позволяет точно определять прочность Н-связей на молекулярном уровне в различных растворах, включая электролиты, сахара, аминокислоты, ДНК и белки. Поскольку метод не ограничивается использованием воды, он также может предоставить ценную информацию о других жидкостях, системах и процессах.

25.10.2024