
Физики
под руководством Александра Колесникова
из американской Национальной лаборатории
в Оук Ридж обнаружили в наноразмерных
каналах кристаллов берилла (изумруд и аквамарин являются его подвидами) новое
состояние воды. Как показали эксперименты
и моделирование, молекулы H2O, запертые
в берилле, за счет квантового туннелирования
превращаются в «смазанные копии самих
себя» и, например, теряют дипольный
момент. Исследование опубликовано в
Physical Review Letters, кратко о нем можно прочитать
на сайте Американского физического
общества.
Берилл,
— минерал с химической формулой
Be3Al2Si6O18  — образует очень тонкие и
протяженные каналы, которые могут
наполняться водой. В этих каналах
существуют сужения, «камеры» диаметром
в 0,5 и длиной в 0,9 нанометров, в которых
может поместиться лишь одна молекула
H2O.
Предыдущие
наблюдения с помощью спектроскопии в
терагерцовом диапазоне показали, что
молекулы воды внутри берилловых
нанокапилляров, возможно, участвуют в
туннелировании, то есть могут
«перепрыгивать» между разными квантовыми
состояниями. Однако доказательств
туннелирования и понимания его механизма
в данном случае у физиков до сих пор не
было.
В
новой работе ученые наблюдали за
поведением воды с помощью нейтронной
спектроскопии и параллельно рассчитывали
поведение молекул в кристаллах на
компьютере, по методу ab initio (из первых
принципов — то есть моделирование
включало квантовые эффекты). В
новой статье исследователи описывают,
как им удалось не только предсказать
появление пиков, точно соответствующих
энергиям переходов между разными
ориентациями одной молекулы воды, но и
зафиксировать эти пики в эксперименте. Кроме
того, физики увидели падение интенсивности
пиков с ростом температуры — это является
верным признаком туннелирования, так
как его вероятность падает при нагревании,
в отличие от вибрационных переходов.
Поведение
воды в берилле, согласно собранным
данным, выглядит следующим образом.
Канал, внутри которого находится
молекула, имеет шесть граней. Атом
кислорода в в молекуле воды находится
почти в центре канала, а пара водородов
обращена к одной из шести стенок. С
энергетической точки зрения ориентация
на любую из шести стенок равновероятна,
но вот провернуться внутри канала и
перейти из одной ориентации в другую
молекула воды не может — слишком узок
канал, необходимо слишком много энергии.
Именно
тут и проявляется эффект квантового
туннелирования, следы которого физики ранее замечали в терагерцовых спектрах.
Оказывается, молекула воды может поменять
ориентацию с одной стенки на другую, не побывав в среднем
положении, — она туннелирует из начальной в
конечную точку поворота. Кроме того,
поскольку все шесть положений эквивалентны,
то туннелирование происходит между
всеми положениями одинаково.  Фактически,
пара атомов водорода H2O размазываются в пространстве,
образуя что-то вроде бублика плотности
вокруг центра канала.
Такое
странное поведение воды на микроуровне
вызывает и макроскопические эффекты —
у воды в берилле, например, пропадает
дипольный момент. Обычно он вызывается
тем, что водороды (которые заряжены частично
положительно) смотрят в одну сторону,
а атом кислорода (который заряжен частично
отрицательно) — в другую. Однако в «берилловой воде» все водороды делокализованы
и молекула не имеет положительно и
отрицательно заряженных частей. Поскольку
многие свойства воды (например, высокая
энергия испарения и растворяющая
способность) зависят напрямую от
дипольного момента, такое состояние
воды выглядит весьма необычно. Хоть его
и невозможно перенести из каппиляров
в раствор.
Ученые
отмечают, что подобные состояния воды
не обязательно привязаны именно к
бериллу или минералам вообще. Они могут
возникать при возникновении сильных стерических затрудней и в других материалах — например,
внутри ионных каналов в белках или в мембранах.
Александр
Ершов
