Вода на рентгене
Вода — это основа жизни, универсальный растворитель и самое распространенное химическое соединение на Земле. А еще и самое необычное вещество на Земле, как считал академик И.В. Петрянов-Соколов. Ученые столетиями изучают ее, однако она до сих пор таит в себе множество загадок.
Одна из них — это сложная разномасштабная физико-химическая структура. По ее поводу существуют много экспериментов и разнообразных теорий, ни одна из которых пока не стала бесспорной.
Очередной вклад в понимание структуры воды внесла группа японских исследователей во главе с профессором Такахаши Осаму (Osamu Takahashi) из Университета Хиросимы. Она решила загадку, которая десятилетиями будоражила ученых.
Проблема касалась интерпретации рентгеновских эмиссионных спектров воды и их чувствительности к межмолекулярным водородным связям в ней. Ученые провели вычисления, которые позволили им теоретические воспроизвести и понять природу так называемых двойных 1b1 спектральных пиков жидкой воды.
Сначала авторы выполнили молекулярно-динамические расчеты для получения модельных структур воды. Затем, исходя из первых принципов квантово-механических вычислений, они нашли форму ее рентгеновских спектров и исследовали, как на нее влияют геометрия и динамика связей.
В результате ученым удалось создать классификацию спектров воды по типам водородных связей. Оказалось, что им всем присущ двойной пик, то есть теоретические предположения ученых объяснили широкий круг данных. Ученые также выяснили, как на спектры возбуждения влияют колебательные моды молекул, которых оказалось всего девять.
Расчет воспроизвел спектры воды с учетом растяжения связей, их колебаний и изгиба, а также вращения молекул. Авторы работы объяснили, как конфигурации водородных связей возбужденной молекулы влияют на температурные зависимости и изотопные зависимости спектров.
По мнению профессора, расчет может быть применен и к другим жидким средам, хотя небольшие расхождения с экспериментальными спектрами требуют дальнейшего развития теории.
Однако Такахаши Осаму уверен, что новое понимание свойств воды послужит созданию инновационных материалов, к примеру электродов батарей, искусственных кровяных сосудов, водопроницаемых мембран.