کشش کوانتومی بین مولکول‌های آب

آب رفتارهای عجیبی دارد و تحقیقات جدید از جمله نخستین مشاهدات از کشش کوانتومی بین مولکول‌های آب ممکن است به ارائه توضیحات پیرامون این راز کمک کند.

دانشمندان با استفاده از ابزارهای پیشرفته برای مطالعه جت‌ها یا فواره‌های میکروسکوپی مایع، مولکول‌های آب را در حال هل دادن و کشیدن یکدیگر در چیزی که به عنوان "کشش کوانتومی"(quantum tug) توصیف شده است، مشاهده کردند.

این پدیده‌ای است که تاکنون به طور مستقیم مشاهده نشده بود و ممکن است به توضیح برخی از رفتارهای عجیب آب کمک کند.

این تحقیقات پیشگامانه توسط دانشمندان دانشگاه "استنفورد" و دانشگاه "استکهلم" انجام شد و آنها به دنبال کشف نیروهایی بودند که مولکول‌های آب را در کنار هم نگه می‌دارند.

در هر مولکول آب یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن وجود دارد. اتم‌های هیدروژن دارای بار مثبت در یک مولکول به اتم‌های اکسیژن با بار منفی در مولکول دیگر جذب می‌شوند که این امر باعث اتصال مولکول‌های آب به یکدیگر می‌شود.

آب دارای خواص عجیبی است که آن را از بسیاری مایعات دیگر متمایز می‌کند و بسیاری از قوانین مربوط به آنچه مایعات باید آنگونه رفتار کنند را زیر پا می‌گذارد. به عنوان مثال یک تکه کره جامد روی لیوانی از کره ذوب شده شناور نمی‌ماند، اما وقتی چند تکه یخ را در یک لیوان آب بریزید، روی آب می‌ماند.

آب همچنین کشش سطحی فوق العاده‌ای را ایجاد می‌کند که حشرات را قادر می‌سازد تا روی سطح آن بایستند و از روی آن عبور کنند و همچنین توانایی خوبی در ذخیره گرما و ثابت نگه داشتن دمای اقیانوس دارد.

دانشمندان بر این باورند که درک بهتر پیوندهای هیدروژنی بین مولکول‌ها می‌تواند به توضیح این خواص عجیب کمک کند و نویسندگان این مطالعه جدید گام مهمی دصیف می‌کنند؟

دانشمندان امیدوارند از این روش برای درک بهتر خواص غیر معمول آب استفاده کنند. این کار می‌تواند منجر به درک بهتر نه تنها خود آب، بلکه نقش آن در موجودات زنده شود.

"شیجی وانگ" از محققان این مطالعه می‌گوید: این مطالعه واقعاً پنجره جدیدی را رو به مطالعه آب باز کرده است. اکنون که سرانجام شاهد حرکت پیوندهای هیدروژنی هستیم، می‌خواهیم این حرکات را با تصویر گسترده‌تری مرتبط کنیم که می‌تواند چگونگی منجر شدن آب به بقای حیات بر روی زمین را آشکار کند و همچنین توسعه روش‌های انرژی تجدیدپذیر را به همراه داشته باشد.

Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water

Water is one of the most important, yet least understood, liquids in nature. Many anomalous properties of liquid water originate from its well-connected hydrogen bond network1, including unusually efficient vibrational energy redistribution and relaxation2. An accurate description of the ultrafast vibrational motion of water molecules is essential for understanding the nature of hydrogen bonds and many solution-phase chemical reactions. Most existing knowledge of vibrational relaxation in water is built upon ultrafast spectroscopy experiments2,3,4,5,6,7. However, these experiments cannot directly resolve the motion of the atomic positions and require difficult translation of spectral dynamics into hydrogen bond dynamics. Here, we measure the ultrafast structural response to the excitation of the OH stretching vibration in liquid water with femtosecond temporal and atomic spatial resolution using liquid ultrafast electron scattering. We observed a transient hydrogen bond contraction of roughly 0.04 Å on a timescale of 80 femtoseconds, followed by a thermalization on a timescale of approximately 1 picosecond. Molecular dynamics simulations reveal the need to treat the distribution of the shared proton in the hydrogen bond quantum mechanically to capture the structural dynamics on femtosecond timescales. Our experiment and simulations unveil the intermolecular character of the water vibration preceding the relaxation of the OH stretch.

این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است.

DOI: 10.1038 / s41586-021-03793-9, www.nature.com/articles/s41586-021-03793-9