Вода – одно из самых удивительных веществ: с одной стороны она знакома каждому из нас с детства; с другой стороны, исследователи многие годы тратят на разгадывание ее тайн, в частности квантовых явлений, лежащих в основе водородных связей между молекулами. Ученые всего мира строят теоретические модели для лучшего понимания механизма этих явлений, но до сих пор еще никому из них не удавалось измерить на практике эти явления.
Теперь благодаря особой спектроскопии, разработанной в инженерной школе Швейцарии, открылась возможность измерять эти квантовые эффекты.
Новая коррелированная вибрационная спектроскопия позволяет зафиксировать уникальный колебательный спектр каждого типа молекул. Колебательные спектры воды и других жидкостей содержат в себе информацию о межмолекулярных взаимодействиях и локальных эффектах, таких как внутримолекулярные связи. Обычные спектроскопические методы имеют узкий спектральный диапазон и не позволяют различать эффекты от невзаимодействующих одиночных молекул и взаимодействующих.
Новая колебательная спектроскопия обладает широким спектральным диапазоном, обеспечивая четко разделенные колебательные моды. Для снятия спектра воду облучают короткими лазерными импульсами длительностью 190 фс с частотой повторения 200 кГц. Эти сверхкороткие вспышки света вызывают микроскопические колебания заряда и атомные смещения, что приводит к излучению видимого света. Рассеянный свет содержит важную информацию об ориентации молекул в пространстве, а цвет фотонов – о растяжении и сжатии водородных связей между молекулами.
Это позволяет количественно оценивать перенос заряда и ядерные квантовые эффекты в воде, открывая прямой и легкий доступ к характеристикам молекулярной связи для каждой вибрационной моды. Этот метод обещает глубокое понимание многих аспектов на молекулярном уровне в жидкофазных системах.