Лазерные лучи ловят молекулы воды за хвост
Удовлетворяя своё любопытство за счёт государства, физики зачастую совершают открытия, которые позднее конвертируются в удивительные бытовые изделия. Во что превратится ответ учёных на теоретический вопрос о поведении молекулы воды, сталкивающейся с твёрдой поверхностью?
Учёные из американской лаборатории Беркли (Berkeley Lab) – Виктор Островерхов, Гленн Вэйчанас (Glenn Waychunas) и Юен Рон Шен (Yuen Ron Shen) сумели определить положение и ориентацию отдельных молекул воды в тончайшем молекулярном слое, соприкасающемся с твёрдой поверхностью.
Это – совсем нетривиальная задача. Хотя взаимодействие воды и твёрдых материалов мы можем наблюдать повсюду, до сих пор все детали такого взаимодействия скрывались от учёных.
Какие бы способы измерений ранее ни применялись – полученные цифры неизбежно несли в себе информацию о состоянии молекул в очень толстом слое вещества.
Таким образом, интересные данные просто терялись, растворяясь в обобщённой картине поведения огромного сонма молекул.
Схема установки, созданной в Беркли (иллюстрация с сайта lbl.gov).
Чтобы отделить мельчайших водяных «мух» от толстенных «котлет», исследователи из Беркли разработали новую технику измерений, названную «Чувствительная к фазе суммарно-частотная вибрационная спектроскопия» (phase-sensitive sum-frequency vibrational spectroscopy).
Благодаря этому способу физики впервые сумели увидеть, как ведут себя молекулы воды, непосредственно примыкающие к твёрдой поверхности (в данном случае — это был кварц).
Учёные направили в одну точку на границе двух сред два луча лазера – инфракрасный и видимый.
Эта смесь лучей заставила группы молекул в пограничном слое вибрировать и повторно излучать свет на частоте, равной сумме частот двух исходных лучей.
Резонансные частоты, на которые лучше всего откликаются молекулы, могут многое рассказать об их состоянии. Такой способ анализа был известен и ранее.
Но авторы новой работы применили оригинальный ход, чтобы получить не только информацию о резонансных частотах в спектре вторичного излучения, но и о фазе этого излучения.
Это стало возможным благодаря постоянному сравнению отражённого света с неким опорным излучением, эталоном со стабильной фазой.
В результате совместного анализа этих данных учёные впервые смогли определить пространственную ориентацию отдельных молекул в тончайшем слое воды, примыкающем к кварцу.
В жидкой воде водородные связи нескольких соседних молекул образуют непостоянные, очень быстротечные структуры. Во льду каждая молекула воды жёстко связана с четырьмя другими. «Ни вода, ни лёд», существующая на границе «жидкость – твёрдое тело», или так называемая смешанная область – любопытное открытие американских физиков (иллюстрация с сайта lbl.gov).
Так был сделан ряд открытий. Например, что в этом месте (слой толщиной всего в несколько молекул) некоторая часть молекул воды образует подобные льду жёсткие структуры (при том, что температура воды – обычная, комнатная).
«Мы обнаружили существование смешанных областей подобных льду и подобных жидкости в водно-кварцевом интерфейсе; с различными полярными ориентациями, соответствующими водным молекулам, которые указывали или кислородными, или водородными концами на поверхность твёрдого тела», — рассказал Островерхов.
Такое явление лишь предполагалось теоретически, но до этого момента не было подтверждено экспериментально.
Также учёные выяснили, что ориентация молекул воды в этом пограничном слое может зависеть от кислотности среды.
На первый взгляд, это открытие интересно лишь для теоретической физики. Но и на практике исследование лаборатории Беркли, несомненно, пригодится.
Например, оно поможет создавать новые поколения водных фильтров или стойких к коррозии материалов, или новых моющих средств.
«В мембранах обратного осмоса, способных отделять воду от ионов солей или иных примесей, поры материалов являются настолько маленькими, что только молекулы воды могут пройти через них, — говорит Островерхов. — В таких случаях поведение воды в пределах всего нескольких молекулярных слоёв очень существенно для определения возможностей мембраны».
А ещё, учитывая изобилие кварца и силикатов в окружающей среде, полученные данные оказываются очень важными для понимания механизмов формирования почвы и механизма «транспорта» через неё как питательных веществ, так и загрязнителей.
Авторы работы (слева направо) Рон Шен, Виктор Островерхов и Гленн Вэйчанас (фото с сайта lbl.gov).
Сейчас Островерхов и его коллеги планируют использовать новую технику измерений для анализа широкого спектра интерфейсов «вода — твёрдая поверхность», включая гидрофобные.
В общем, есть шанс, что через некоторое время мир получит какие-нибудь новые водоотталкивающие костюмы или, допустим, гидрофобные покрытия для автомобильных стёкол.
А начиналось всё с теоретического вопроса – что происходит с водой в той точке, где, казалось бы, всё давно уже известно науке, и где не может происходить ничего необычного.
ДОСТАЛ ДО ЛУНЫ САМЫМ МОЩНЫМ ЛАЗЕРОМ НА ЮТУБЕ
