Нанесены на карту потенциальные энергетические поверхности воды

Вода, безусловно, самая известная жидкость в мире. Вода играет решающую роль во всех биологических и многих химических процессах. Сами молекулы воды вряд ли таят в себе какие-либо секреты. Уже в школе мы учим, что вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Мы даже знаем типичный тупой угол, который образуют друг с другом две ножки OH. Кроме того, мы знаем, когда вода кипит или замерзает и как эти фазовые переходы связаны с давлением. Но между фактами об отдельных молекулах и более глубоким пониманием макроскопических явлений существует широкая область неопределенности: о поведении отдельных молекул в обычной жидкой воде известна только статистическая информация: молекулы воды в жидкой фазе образуют колеблющуюся сеть водородных связей неупорядочена и плотна, и их взаимодействия совсем не так хорошо изучены, как в газообразном состоянии.

Исследуется чистая жидкая вода

Теперь команда под руководством физика HZB доктора Аннет Пицш более внимательно изучила чистую жидкую воду при комнатной температуре и нормальном давлении. Используя рентгеновский анализ в швейцарском источнике света Института Пауля Шеррера и статистическое моделирование, ученым удалось составить карту так называемых поверхностей потенциальной энергии отдельных молекул воды в основном состоянии, которые имеют большое разнообразие форм. в зависимости от их окружения.

Измеренные колебания и вибрации

«Особенностью здесь является метод: мы изучали молекулы воды на луче ADRESS с помощью резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей. Проще говоря, мы очень осторожно подталкивали отдельные молекулы, а затем измеряли, как они возвращались в основное состояние», — говорит Пицш. Низкоэнергетические возбуждения привели к валентным колебаниям и другим вибрациям, что в сочетании с модельными расчетами позволило получить детальную картину потенциальных поверхностей.

«Это дает нам метод экспериментального определения энергии молекулы как функции ее структуры», — объясняет Пицш. «Результаты помогают лучше понять химический состав воды, например, лучше понять, как вода ведет себя как растворитель».

Перспективы: METRIXS на выставке BESSY II

Следующие эксперименты уже запланированы на рентгеновском источнике BESSY II в HZB. Там Аннет Питч и ее команда установили измерительную станцию ​​METRIXS, предназначенную именно для исследования жидких образцов с помощью экспериментов RIXS. «После летнего закрытия из-за работ по техническому обслуживанию BESSY II мы начнем с первых испытаний наших приборов. А потом сможем двигаться дальше».