Молекулярную динамику жидкой воды исследовали с атомарным разрешением
Физики использовали рассеяние электронов, чтобы проследить релаксационной динамикой внутри- и межмолекулярных связей молекул воды с фемтосекундным временным и атомарным пространственным разрешениями. Они обнаружили необычное кратковременное сокращение расстояния между атомами кислорода соседних молекул, для объяснения которого оказался обязательным учет квантовых эффектов. Исследование опубликовано в Nature.
Вода — это одна из самых важных, но, вместе с тем, наименее изученных жидкостей. Ее молекулы связываются друг с другом посредством водородных связей, образуя разветвленные сети. Такая структура определяет аномальные свойства воды, в частности высокую температуру кипения, удельную теплоту парообразования, удельную теплоемкость и многое другое.
Необычен также и характер перераспределения колебательной энергии в этих сетях, равно как и последующая релаксация колебаний. Эти процессы важны, в частности, для понимания того, как именно протекают химические реакции в растворах. Традиционно их изучают с помощью инфракрасной спектроскопии и комбинационного рассеяния. Однако в этих методах возникают трудности при интерпретации спектров в контексте пространственной ориентации атомов. Определенные успехи есть при использовании рассеянии рентгеновских лучей и нейтронов с фемтосекундным разрешением, однако эти методы не дают информации о релаксации в случае молекул воды.