Новый метод спектроскопии раскрывает квантовые секреты воды
Впервые исследователи EPFL наблюдали исключительно за молекулами, участвующими в водородных связях в жидкой воде, измеряя электронные и ядерные квантовые эффекты, которые ранее были доступны только с помощью теоретического моделирования.
Вода является синонимом жизни, но динамичное, многогранное взаимодействие, которое объединяет молекулы H2O, — водородная связь — остается загадкой. Водородные связи возникают, когда атомы водорода и кислорода между молекулами воды взаимодействуют, разделяя при этом электронный заряд.
Такое распределение заряда является ключевой особенностью трехмерной сети "H-bond", которая придает жидкой воде ее уникальные свойства, но квантовые явления, лежащие в основе таких сетей, до сих пор были поняты только с помощью теоретического моделирования.
Теперь исследователи под руководством Сильви Рок, руководителя лаборатории фундаментальной биофотоники в инженерной школе EPFL, опубликовали новый метод — коррелированную колебательную спектроскопию (CVS), который позволяет им измерить поведение молекул воды, когда они участвуют в сетях водородных связей.
Важно отметить, что CVS позволяет ученым различать такие участвующие (взаимодействующие) молекулы и случайно распределенные молекулы, не связанные водородной связью (невзаимодействующие). В отличие от этого, любой другой метод дает результаты измерений для обоих типов молекул одновременно, что делает невозможным различие между ними.
"Современные методы спектроскопии измеряют рассеяние лазерного излучения, вызванное колебаниями всех молекул в системе, поэтому вы должны догадываться или предполагать, что то, что вы видите, обусловлено интересующим вас молекулярным взаимодействием", - объясняет Рок.
"С помощью CVS режим колебаний каждого отдельного типа молекул имеет свой собственный спектр колебаний. А поскольку каждый спектр имеет уникальный пик, соответствующий молекулам воды, перемещающимся взад и вперед по водородным связям, мы можем непосредственно измерить их свойства, например, насколько распределен электронный заряд и как это влияет на прочность водородных связей".
Метод, который, по словам команды, обладает "преобразующим" потенциалом для описания взаимодействий в любом материале, был опубликован в журнале Science.
Взгляд на вещи под новым углом
Чтобы различать взаимодействующие и невзаимодействующие молекулы, ученые облучали жидкую воду фемтосекундными (длящимися одну квадриллионную долю секунды) лазерными импульсами в ближнем инфракрасном спектре. Эти ультракороткие вспышки света создают крошечные колебания заряда и смещения атомов в воде, которые запускают излучение видимого света.
Этот излучаемый свет проявляется в виде картины рассеяния, которая содержит ключевую информацию о пространственной организации молекул, в то время как цвет фотонов содержит информацию о перемещениях атомов внутри молекул и между ними.
"В обычных экспериментах спектрографический детектор устанавливается под углом 90 градусов к входящему лазерному лучу, но мы поняли, что можем исследовать взаимодействующие молекулы, просто меняя положение детектора и регистрируя спектры с использованием определенных комбинаций поляризованного света. Таким образом, мы можем создавать отдельные спектры для невзаимодействующих и взаимодействующих молекул", - говорит Рок.
Команда провела дополнительные эксперименты, направленные на использование CVS для изучения электронных и ядерных квантовых эффектов сетей водородных связей, например, путем изменения рН воды путем добавления ионов гидроксида (что делает ее более щелочной) или протонов (более кислой).
"Гидроксидные ионы и протоны участвуют в водородных связях, поэтому изменение рН воды изменяет ее реакционную способность", - говорит аспирантка Миша Флор, первый автор статьи.
"С помощью CVS мы теперь можем точно определить, сколько дополнительных зарядов гидроксид-ионы отдают сетям водородных связей (8%) и сколько зарядов принимают от них протоны (4%) — точные измерения, которые ранее никогда не удавалось провести экспериментально".
Эти значения были объяснены с помощью усовершенствованного моделирования, проведенного сотрудниками из Франции, Италии и Великобритании.
Исследователи подчеркивают, что метод, который они также подтвердили теоретическими расчетами, может быть применен к любому материалу, и действительно, уже проводится несколько новых экспериментов по определению характеристик.
"Возможность прямого количественного определения прочности водородных связей - это мощный метод, который может быть использован для уточнения деталей на молекулярном уровне любого раствора, например, содержащего электролиты, сахара, аминокислоты, ДНК или белки", - говорит Рок. - Поскольку CVS не ограничивается водой, он также может предоставлять обширную информацию о других жидкостях, системах и процессах".
