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


Подписаться в Telegram



Хайтек

В ТПУ создали многоразовые накопители водорода из отечественного сырья
В ТПУ создали многоразовые накопители водорода из отечественного сырья

Более дешевые металлогидридные накопители водо...

Новый подход к производству цифрового света решает проблемы 3D-печати
Новый подход к производству цифрового света решает проблемы 3D-печати

Новый метод производства цифрового света для&n...

AEM: Гибридный полупроводник позволит лучше понять спинтронику
AEM: Гибридный полупроводник позволит лучше понять спинтронику

Электроны вращаются без электрического за...

Томские ученые представили цифровое решение для оптимизации НПЗ
Томские ученые представили цифровое решение для оптимизации НПЗ

Новый программный комплекс представили ученые ...

В НГУ разработали первые фильтры для технологии связи 6G
В НГУ разработали первые фильтры для технологии связи 6G

Уникальные фильтры для импульсной терагер...

Ученые КФУ выяснили, как дефекты в полупроводниках влияют на свет
Ученые КФУ выяснили, как дефекты в полупроводниках влияют на свет

Физическая модель, которая описывает взаимодей...

Новый метод синтеза лекарств открыли российские химики
Новый метод синтеза лекарств открыли российские химики

Новый метод синтеза производных пирролизидина ...

Advanced Materials: Созданы волокна в одежду для питания смартфона от тепла тела
Advanced Materials: Созданы волокна в одежду для питания смартфона от тепла тела

Термоэлектрический материал, который можно исп...

В Томском университете создали интегральные схемы для российских РЛС
В Томском университете создали интегральные схемы для российских РЛС

Первый российский комплект интегральных схем д...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Исследование Т-клеток в лечении опухолей открывает новую силу иммунотерапии
Исследование Т-клеток в лечении опухолей открывает новую силу иммунотерапии
Current Biology: Анализ ДНК опроверг прежние данные о погибших в Помпеях
Current Biology: Анализ ДНК опроверг прежние данные о погибших в Помпеях
Cell: Открыт новый вероятный маркер старения организма
Cell: Открыт новый вероятный маркер старения организма
МФТИ: Линзы тоньше волоса ускорят диагностику болезней на дому
МФТИ: Линзы тоньше волоса ускорят диагностику болезней на дому
В МГУ увеличили эффективность противогрибковых препаратов в 5000 раз
В МГУ увеличили эффективность противогрибковых препаратов в 5000 раз
Memoirs of the Queensland Museum — Nature: Открыт новый вид краба-отшельника
Memoirs of the Queensland Museum — Nature: Открыт новый вид краба-отшельника
Искусственные рецепторы на основе ДНК коронавируса открывают новые возможности
Искусственные рецепторы на основе ДНК коронавируса открывают новые возможности
Journal of International Development: Холодильник — все еще символ достатка
Journal of International Development: Холодильник — все еще символ достатка
Nature Communications: Наночастицы с оснасткой находят белки в плазме крови
Nature Communications: Наночастицы с оснасткой находят белки в плазме крови
B&B: Разработан неинвазивный биосенсор для ранней диагностики заболеваний почек
B&B: Разработан неинвазивный биосенсор для ранней диагностики заболеваний почек
EMBO: Открыта связь между генной мутацией и митохондриальными заболеваниями
EMBO: Открыта связь между генной мутацией и митохондриальными заболеваниями
Ученые выяснили, как защитить томаты от надвигающейся жары
Ученые выяснили, как защитить томаты от надвигающейся жары
Energy & Fuels: Отработанное масло пустят в ход — на переработку в биодизель
Energy & Fuels: Отработанное масло пустят в ход — на переработку в биодизель
JACS: Чтобы отследить реакцию убийцы озона на свет, пришлось обогнать молекулы
JACS: Чтобы отследить реакцию убийцы озона на свет, пришлось обогнать молекулы
EUSEM: Половина всех пациентов с сепсисом умирает в течение двух лет
EUSEM: Половина всех пациентов с сепсисом умирает в течение двух лет

Новости компаний, релизы

На старт! Внимание! MITEX!
Международные эксперты оценили разработанную для нижегородского завода технологию
Фестиваль научных театров «Наука всем!» прошёл в Санкт-Петербурге
«Неделя без турникетов» проходит на предприятиях «Вертолетов России»
Школьных учителей приобщат в современной науке