Po raz pierwszy badacze z EPFL bezpośrednio zaobserwowali cząsteczki angażujące się w wiązania wodorowe w wodzie w stanie ciekłym, wychwytując elektroniczne i jądrowe efekty kwantowe, które wcześniej były dostępne jedynie poprzez symulacje teoretyczne.
Woda jest synonimem życia, ale dynamiczna, wieloaspektowa interakcja, która łączy cząsteczki H2O – wiązanie wodorowe – pozostaje tajemnicza. Te wiązania wodorowe powstają, gdy atomy wodoru i tlenu z sąsiednich cząsteczek wody łączą się, wymieniając przy tym ładunek elektroniczny.
Ten podział ładunku jest kluczową cechą trójwymiarowej sieci „wiązania wodorowego”, która nadaje wodzie w stanie ciekłym jej unikalne właściwości, ale zjawiska kwantowe w sercu takich sieci były dotychczas rozumiane jedynie poprzez symulacje teoretyczne.
Teraz badacze pod kierownictwem Sylvie Roke, kierownik Laboratorium Podstaw Biofotoniki w Szkole Inżynierskiej EPFL, opublikowali nową metodę – skorelowaną spektroskopię oscylacyjną (CVS), która umożliwia pomiar, jak zachowują się cząsteczki wody, gdy uczestniczą w wiązaniu wodorowym sieci.
Co najważniejsze, CVS pozwala naukowcom rozróżnić takie uczestniczące (oddziałujące) cząsteczki od losowo rozmieszczonych cząsteczek bez wiązań wodorowych (nieoddziałujących). Natomiast każda inna metoda podaje pomiary obu typów cząsteczek jednocześnie, co uniemożliwia ich rozróżnienie.
„Obecne metody spektroskopii mierzą rozpraszanie światła laserowego spowodowane wibracjami wszystkich cząsteczek w układzie, więc musisz zgadywać lub zakładać, że to, co widzisz, wynika z interakcji molekularnych, którymi jesteś zainteresowany” – wyjaśnia Roke. „W CVS tryb wibracyjny każdego innego typu cząsteczki ma swoje własne widmo wibracyjne. A ponieważ każde widmo ma unikalny pik odpowiadający cząsteczkom wody poruszającym się tam i z powrotem wzdłuż wiązań wodorowych, możemy bezpośrednio zmierzyć ich właściwości, takie jak stopień współdzielenia ładunku elektronowego i wpływ na siłę wiązań wodorowych”.
Metoda, która według zespołu ma „transformacyjny” potencjał charakteryzowania interakcji w dowolnym materiale, została opublikowana w czasopiśmie „ Nauka.
Patrzenie na sprawy z nowego punktu widzenia
Aby rozróżnić cząsteczki oddziałujące i nieoddziałujące, naukowcy oświetlili wodę w stanie ciekłym femtosekundowymi (jedna biliardowa sekundy) impulsami laserowymi w widmie bliskiej podczerwieni. Te ultrakrótkie rozbłyski światła powodują drobne oscylacje ładunków i przemieszczenia atomów w wodzie, co powoduje emisję światła widzialnego. To emitowane światło pojawia się we wzorze rozpraszania, który zawiera kluczowe informacje o przestrzennej organizacji cząsteczek, podczas gdy kolor fotonów zawiera informacje o przemieszczeniach atomów w obrębie cząsteczek i pomiędzy nimi.
„Typowe eksperymenty polegają na umieszczeniu detektora spektrograficznego pod kątem 90 stopni w stosunku do przychodzącej wiązki lasera, ale zdaliśmy sobie sprawę, że możemy badać oddziałujące cząsteczki, po prostu zmieniając położenie detektora i rejestrując widma przy użyciu określonych kombinacji światła spolaryzowanego. W ten sposób możemy stworzyć oddzielne widma dla cząsteczek nieoddziałujących i oddziałujących” – mówi Roke.
Zespół przeprowadził więcej eksperymentów mających na celu wykorzystanie CVS do rozdzielenia elektronicznych i jądrowych efektów kwantowych sieci wiązań wodorowych, na przykład poprzez zmianę pH wody poprzez dodanie jonów wodorotlenkowych (co czyni ją bardziej zasadową) lub protonów (bardziej kwaśna ).
„Jony wodorotlenkowe i protony uczestniczą w wiązaniach wodorowych, więc zmiana pH wody zmienia jej reaktywność” – mówi doktorant Mischa Flór, pierwszy autor artykułu. „Dzięki CVS możemy teraz dokładnie określić, ile dodatkowych ładunków jonów wodorotlenkowych przekazuje do sieci wiązań wodorowych (8%) i ile ładunku przyjmują od nich protony (4%) – dokładne pomiary, których nigdy wcześniej nie można było wykonać eksperymentalnie. ” Wartości te wyjaśniono za pomocą zaawansowanych symulacji przeprowadzonych przez współpracowników we Francji, Włoszech i Wielkiej Brytanii.
Naukowcy podkreślają, że metodę, którą potwierdzili również w obliczeniach teoretycznych, można zastosować do dowolnego materiału i rzeczywiście prowadzonych jest już kilka nowych eksperymentów charakteryzujących.
„Możliwość bezpośredniego określenia siły wiązania H to potężna metoda, którą można zastosować do wyjaśnienia szczegółów na poziomie molekularnym dowolnego roztworu, na przykład zawierającego elektrolity, cukry, aminokwasy, DNAlub białka” – mówi Roke. „Ponieważ CVS nie ogranicza się do wody, może również dostarczyć mnóstwo informacji na temat innych cieczy, systemów i procesów”.
Odniesienie: „Rozdzielenie sieci wiązań wodorowych wody: Transfer ładunku i nuklearne efekty kwantowe” Mischa Flór, David M. Wilkins, Miguel de la Puente, Damien Laage, Giuseppe Cassone, Ali Hassanali i Sylvie Roke, 24 października 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.ads4369
