Les scientifiques ont détecté une « tension quantique » entre les molécules d’eau voisines

Pour la première fois, des scientifiques du ministère de l’Énergie Laboratoire national des accélérateurs SLACet l’Université de Stanford et l’Université de Stockholm en Suède ont montré comment les atomes d’hydrogène dans les molécules d’eau tirent et poussent les molécules d’eau voisines lorsqu’elles sont excitées par la lumière laser.

foires de l’eau Beaucoup de comportements étranges. Les scientifiques peinent encore à expliquer ce comportement.

Cette nouvelle étude révèle des influences qui pourraient alimenter des aspects clés de l’origine microscopique des propriétés particulières de l’eau. Cela pourrait également conduire à une meilleure compréhension de la façon dont l’eau aide les protéines à fonctionner dans les organismes vivants.

Anders Nilsson, professeur de physique chimique à l’Université de Stockholm, a déclaré : « Bien que l’on suppose que ce soi-disant effet quantique nucléaire est au cœur de nombreuses propriétés particulières de l’eau, cette expérience représente la première fois qu’elle a été observée directement. La question est de savoir si cela Effet quantique Ce pourrait être le chaînon manquant dans les modèles théoriques qui décrivent les propriétés anormales de l’eau. »

L’eau se compose d’oxygène et d’hydrogène et d’un réseau de liaisons hydrogène entre les atomes d’hydrogène chargés positivement dans une molécule et les atomes d’oxygène chargés négativement dans les molécules voisines qui les maintiennent ensemble. Ce réseau évoque de nombreuses propriétés inexplicables de l’eau.

Jusqu’à présent, elle n’a pas pu observer directement comment une molécule d’eau interagit avec ses voisines.

La collaboratrice Kelly Gaffney, scientifique du Stanford Pulse Institute au SLAC, a déclaré : « La faible masse des atomes d’hydrogène accentue leur comportement ondulatoire quantique. Cette étude est la première à démontrer directement que la réponse du réseau de liaisons hydrogène à une impulsion énergétique dépend de manière critique de la nature mécanique quantique de la façon dont les atomes d’hydrogène sont espacés, ce qui a longtemps été suggéré d’être responsable des caractéristiques uniques de l’eau et de son réseau de liaisons. hydrogène « .

Pour l’étude, les scientifiques ont utilisé le MeV-USD du SLAC, une « caméra électronique » à grande vitesse pour détecter les mouvements moléculaires en diffusant un puissant faisceau d’électrons à partir des échantillons. Les scientifiques ont créé une épaisseur de 100 nanomètres jets d’eau liquide– Environ 1 000 fois plus mince que la largeur d’un cheveu humain – Les molécules d’eau ont été capturées en train de vibrer avec la lumière laser infrarouge. Ensuite, ils ont fait exploser les molécules avec de courtes impulsions d’électrons à haute énergie du MeV-USD.

Cela a produit des instantanés à haute résolution de la structure atomique changeante des molécules qui les liaient ensemble dans un film en stop-motion de la façon dont le réseau de molécules d’eau a réagi à la lumière.

Grâce à ces clichés, les scientifiques ont pu voir la vibration d’une molécule d’eau excitée. Ils ont également découvert que l’atome d’hydrogène se rapproche des atomes d’oxygène des molécules d’eau voisines avant de les repousser avec sa force nouvellement découverte, élargissant la distance entre les molécules.

Ji Yang, un ancien scientifique du SLAC qui est maintenant professeur à l’Université Tsinghua en Chine, a déclaré : Depuis longtemps, les chercheurs tentent de comprendre le réseau de liaisons hydrogène à l’aide de techniques de spectroscopie. La beauté de cette expérience est que pour la première fois, nous avons pu observer directement comment ces molécules se déplacent. »

En utilisant cette méthode, les scientifiques espèrent mieux comprendre la nature quantitative des liaisons hydrogène et leur rôle dans les propriétés particulières de l’eau. Les scientifiques prévoient également d’étudier le rôle essentiel que ces propriétés jouent dans de nombreux processus chimiques et biologiques.

Xijie Wang, SLAC Distinguished Staff Scientist et collaborateur de l’étude, a déclaré : Cela a ouvert une nouvelle fenêtre pour l’étude de l’eau. Maintenant que nous pouvons enfin voir les liaisons hydrogène en mouvement, nous aimerions relier ces mouvements à une image plus large, qui peut faire la lumière sur la façon dont l’eau a conduit à l’origine et à la survie de la vie sur Terre et informer le développement de méthodes d’énergie renouvelable. « 

Référence de la revue :

1. Observation directe du renforcement ultrarapide des liaisons hydrogène dans l’eau liquide, Nature (2021). EST CE QUE JE: 10.1038 / s41586-021-03793-9