Терагерцовый лазер помог снять спектр тримера воды в области низких частот
Лазеры в науке 06.05.2020 Комментарии к записи Терагерцовый лазер помог снять спектр тримера воды в области низких частот отключеныУченые смогли зарегистрировать спектр поглощения кластеров из трех молекул воды в инфракрасном диапазоне частот от 70 до 620 обратных сантиметров. С помощью метода изоляции молекул в нанокаплях гелия и лазера на свободных электронах авторам удалось также обнаружить частоты переходов, которые ранее не были зарегистрированы. Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.
Не секрет, что вода является колоссально важным веществом в биологии и химии. Несмотря на десятилетия исследований взаимодействий между молекулами воды, их точное описание на молекулярном уровне до сих пор остается сложной задачей. Чтобы развить универсальную модель воды, которая могла бы предсказать ее свойства в любой форме и разных условиях, исследователи прибегают к эмпирическим методам спектроскопии и теоретическим расчетам для построения поверхностей потенциальной энергии (ППЭ) водных кластеров.
Если определять энергию межмолекулярных взаимодействий в воде в конденсированном состоянии как разность суммарной электронной энергии системы и энергий отдельных молекул, то получится, что термы кластеров из двух и трех молекул составляют около 98 процентов суммарной энергии. Поэтому для разработки универсальной модели крайне важно изучить межмолекулярные взаимодействия небольших кластеров.
Одним из способов спектроскопического изучения агрегированных молекул является их изолирование в нанокаплях гелия при температуре 0,37 кельвин. Эту технику уже использовали для изучения молекул воды, однако лишь в области энергий мод растягивания межмолекулярных связей О-Н и сгибания межмолекулярных Н-О-Н. Ученые под руководством Мартины Хавенит (Martina Havenith) из Рурского университета в Бохуме смогли этим методом получить спектры тримера воды в более низкочастотной области (от 70 до 620 обратных сантиметров), получив информацию об энергиях трансляционных и либрационных мод в плоскости кластера и вне ее.
В камеру с каплями гелия добавляли воду, вероятность захвата молекул которой каплей гелия согласовывалась с распределением Пуассона. Колебания в кластерах возбуждали с помощью лазеров на свободных электронах. Пучок лазерного излучения располагался антипараллельно и коллинеарно относительно пучка нанокапель гелия. Инфракрасное излучение поглощали только капли с молекулами воды. В результате поглощения часть атомов гелия испарялась из капли, затем электронным ударом капли ионизировались и направлялись в масс-спектрометр, который регистрировал поток ионов во времени. Испарение атомов гелия приводило к уменьшению ионного тока. Таким образом поглощение излучения измерялось не напрямую, а как уменьшение ионного тока заряженного фрагмента растворенного вещества в масс-спектре.
Сравнение экспериментального спектра поглощения тримером воды в каплях гелия (а, вверху) с результатами исследований в газовой фазе (а, внизу) и теоретическими расчетами (b). Черным обозначены линии, которые наблюдали в газовой фазе, цветным обозначены линии идентифицированные в новой работе, Raffael Schwan et al. / Angewandte Chemie International Edition, 2020
Авторы сравнили экспериментальные данные с квантовыми расчетами и смогли сопоставить энергии колебаниям. По сходству полученных данных с экспериментальными данными спектроскопии в газовой фазе авторы заключили, что влияние атомов гелия очень мало и им можно пренебречь в условиях экспериментального разрешения (около одного обратного сантиметра).
Исследователям впервые удалось зарегистрировать энергии переходов вырожденной трансляции, вырожденной либерации в плоскости и невырожденной либерации вне плоскости, а также обнаружить дополнительные полосы либерационной моды вне плоскости. По словам авторов, результаты исследования могут стать отправной точкой для дальнейших исследований взаимодействий молекул воды и систем из трех молекул. О необычных свойствах воды можно почитать в нашем материале «Пять стихий: вода», а о мифах о необычных свойствах — в материале «Живая и неживая».
Алина Кротова
