Более 70% поверхности Земли покрыто водой — H2O. Ничтожное количество в несколько миллионных долей состоит из «тяжелой воды», в которой атомы водорода (H) заменены атомами дейтерия (D). В ядре дейтерия на один нейтрон больше, чем в ядре водорода, и он, соответственно, весит примерно в два раза больше.
Можно было бы ожидать, что тяжелая вода, в которой два более «увесистых» атома водорода связаны с атомом кислорода, будет значительно отличаться по своим физическим свойствам от обычной воды. Однако на самом деле температура замерзания этих двух видов воды различается совсем немного. Тяжелая вода замерзает при 3,81°C. Еще меньше разница температур кипения — 100°С и 101,3°C.
Исследователи из Института Макса Планка, возглавляемого Мишей Бонном, впервые смогли показать, что за этот феномен отвечают так называемые ядерные квантовые эффекты (nuclear quantum effects, сокращенно NQE).
Квантовая механика гласит, что атомы продолжают двигаться даже при абсолютном нуле, то есть при температуре -273°C: они «колеблются» или «дрожат» относительно своего центра. Это называется «энергией нулевых колебаний» (zero-point energy, ZPE). Таким образом, атомы водорода в обычной воде находятся не на определенном фиксированном расстоянии от атома кислорода, а в некотором «облаке», которое формируется вокруг точки среднего межатомного расстояния. Поскольку водород — это атом с низкой массой, водородные «облака» достаточно большие, NQE ярко выражены, а колебания имеют значительную амплитуду.
Если заменить водород более тяжелым дейтерием, атомы будут колебаться с меньшей амплитудой. Среднее расстояние становится меньше, а это значит, что атом дейтерия приближается к атому кислорода. В результате пространственное расширение молекулы дейтериевой воды уменьшается. Одновременно увеличивается расстояние до следующей молекулы воды, что снижает энергию межмолекулярной связи. Это показатель того, насколько легко две молекулы вещества могут отделиться друг от друга, например, при переходе из твердого состояния в жидкое.
Однако в то же время атом дейтерия может колебаться не только в направлении линии связи с атомом кислорода, но и под углом к ней. При замене водорода на дейтерий межмолекулярный эффект противодействует внутримолекулярному эффекту: в то время как один из них снижает энергию связи, другой увеличивает ее в сопоставимой степени.
Температуры замерзания различаются незначительно, потому что два квантово-механических эффекта оказывают противоположное влияние на энергию связи и примерно компенсируют друг друга.
Чтобы измерить эти едва заметные эффекты, исследователи использовали метод спектроскопии генерации суммарной частоты с гетеродинным детектированием (heterodyne-detected sum-frequency generation или HD-SFG). Этот метод позволил им изучить верхний слой воды на границе раздела «воздух-вода», где молекулы имеют «свободный» конец, не связанный с другими молекулами воды. Тщательно проанализировав колебательные спектры воды с разным соотношением водорода и дейтерия, ученые смогли определить и количественно оценить отдельные меж- и внутримолекулярные энергетические компоненты.
Работа, опубликованная в журнале Science Advances, представляет собой первое экспериментальное доказательство почти полного взаимного подавления внутримолекулярных и межмолекулярных квантовых эффектов в воде, которое долгое время предсказывалось только теоретически. Исследование подчеркивает важность учета квантовых явлений для понимания свойств обычной и тяжелой воды.
Это имеет значение для самых разных областей от исследований климата до биохимии, где свойства воды играют решающую роль. Кроме того, инновационный подход команды открывает новые возможности для изучения квантовых эффектов в более сложных системах.
Ранее мы рассказывали о поисках жидкой воды на Марсе — узнайте, удалось ли ее там найти.
