Заглянув в стакан с водой, вы вряд ли увидите больше, чем свое отражение. Но воспользовавшись микроскопом — или, еще лучше, серией датчиков, фиксирующих лазерные импульсы — можно увидеть интригующий молекулярный танец. Даже если вода кажется спокойной, водородные связи между её молекулами постоянно разрушаются и формируются заново, как будто каждая молекула «меняет партнера по танцу» сотню миллиардов раз в секунду.

«Довольно давно известно, что водородные связи постоянно меняются, но детали этого процесса до сих пор оставались нечеткими», — говорит Келли Гаффни (Kelly Gaffney) из лаборатории SLAC Стэнфордского университета.- «Было предсказано, что переход от одной связи к другой осуществляется очень быстро, и угол между водородными связями при этом изменяется на 60.70⁰. Но моделирование структуры воды является настолько сложным, что было важно проверить эту теорию экспериментально».

Совместно с физиками Минбао Цзи (Minbiao Ji) и Майклом Оделиусом (Michael Odelius) Гаффни провел интересный эксперимент, показавший правильность теоретической модели. В ходе эксперимента исследователи изучали смесь воды и перхлората натрия. В этом растворе каждая молекула воды, в которой две ковалентные химические связи соединяют атомы водорода с атомом кислорода, взаимодействовала с другими молекулами воды или перхлората натрия, образуя водородные связи. Водородные связи «вода — вода» и «вода — перхлорат натрия» отличаются по силе, а также по‑разному изменяют колебательные спектры молекулы воды, что позволило исследователям отличать их друг от друга.

Направляя точно выверенные по времени лазерные импульсы в водный раствор перхлората натрия, они смогли сопоставить колебательные спектры «прямо сейчас» и «чуть позже», измерив время, которое требуется молекулам, чтобы «сменить партнеров по танцам». Оказалось — около 6 пикосекунд, что соответствует примерно 160 миллиардам изменений в секунду.

Поскольку лазерное излучение поляризовано, оно преимущественно возбуждает молекулы со связями, ориентированными параллельно направлению поляризации. Это позволило исследователям выявить направления водородных связей, возникающих в растворе и пространственную ориентацию молекул. Оказалось, что разрушенная водородная связь восстанавливается под углом около 50⁰ к предыдущему направлению.

Метод, использованный Гаффни для измерения времени жизни водородной связи и её направления, применим для воды и перхлората, но не будет работать в чистой (дистиллированной) воде: когда все молекулы образуют одинаковые водородные связи, невозможно определить момент их разрушения и восстановления. Однако Гаффни утверждает, что результаты, полученные для воды и перхлората натрия, также справедливы и для чистой воды, и для различных водных растворов.

По сообщению SLAC Today