راز کوانتومی پیوندهای هیدروژنی در آب مایع برای اولین بار فاش شد

پیوندهای هیدروژنی که مولکول‌های آب را تشکیل می‌دهند، مسئول بسیاری از ویژگی‌هایی هستند که آب را به یک مایع منحصر به فرد تبدیل می‌کند. با این حال، حتی امروز دانشمندان به‌طور کامل علم پشت این پیوندها را درک نکرده‌اند.

این به این دلیل است که این پیوندهای H دارای عمر بسیار کوتاهی هستند زیرا به‌طور مداوم به دلیل حرکت مولکول‌های آب تشکیل و شکسته می‌شوند.

برای مثال، عمر معمول یک پیوند هیدروژنی در آب مایع یک میلیونیم از یک میلیونیم ثانیه است. این رفتار دینامیکی باعث می‌شود که گرفتن و مطالعه دقیق تعاملات آن‌ها دشوار باشد.

با این حال، پژوهشگران در موسسه فدرال سوئیس صنعت لوزان (EPFL) ادعا می‌کنند که روشی جدید ابداع کرده‌اند که می‌تواند به دانشمندان اجازه دهد اثرات کوانتومی الکترونی و هسته‌ای پیوندهای هیدروژنی آب مایع را با عمق بیشتری مطالعه کنند.

این روش جدید به نام طیف‌سنجی ارتعاش همبسته (CVS) می‌تواند بالاخره عوامل تأثیرگذار بر شبکه‌های پیوند هیدروژنی در آب را که به یک نیروی قوی و مرموز تبدیل می‌کند، فاش کند.

درک پیوند H از طریق CVS

همه مولکول‌های آب در تعاملات شبکه پیوند هیدروژنی دخیل نیستند. CVS ابتدا مولکول‌های درگیر و غیر درگیر را شناسایی و جدا می‌کند. این کار با شلیک پالس‌های لیزر فوق سریع بر روی مولکول‌های آب انجام می‌شود.

این پرتوهای سریع نور حرکات کوچکی در اتم‌های آب ایجاد می‌کنند که سپس نور قابل دیدن ساطع می‌کنند. الگوی این نور نشان می‌دهد که چگونه مولکول‌ها مرتب شده‌اند و رنگ نور نشان می‌دهد که چگونه اتم‌ها در داخل و بین مولکول‌ها حرکت می‌کنند.

«روش‌های طیف‌سنجی فعلی پراکندگی نور لیزر را که به‌وسیله ارتعاشات همه مولکول‌ها در یک سیستم ایجاد می‌شود، اندازه‌گیری می‌کنند، بنابراین باید حدس بزنید یا فرض کنید که آنچه می‌بینید به‌دلیل تعامل مولکولی است که به آن علاقه دارید،" سیلوی روک، یکی از نویسندگان مطالعه و یک پروفسور در EPFL، گفت.

با این حال، در مورد CVS، انواع مختلفی از مولکول‌های آب الگوهای ارتعاشی متفاوتی از خود نشان می‌دهند. این الگوهای متمایز نشان می‌دهد که چگونه یک مولکول خاص در طول پیوندهای H حرکت می‌کند — و به پژوهشگران امکان می‌دهد به‌طور مستقیم چیزهایی مانند میزان باری که بین اتم‌های هیدروژن و اکسیژن که پیوندهای H را تشکیل می‌دهند، به اشتراک گذاشته شده است را اندازه‌گیری کنند و چقدر قوی هستند.

«این به‌اشتراک‌گذاری بار یک ویژگی کلیدی از شبکه سه‌بعدی 'پیوند H' است که به آب مایع ویژگی‌های منحصر به‌فرد آن را می‌دهد، اما پدیده‌های کوانتومی در قلب چنین شبکه‌هایی تاکنون تنها از طریق شبیه‌سازی‌های نظری درک شده‌اند،" نویسندگان مطالعه یادآور می‌شوند.

برای اولین بار، دانشمندان یک روش تجربی برای بررسی این پدیده و جنبه‌های مختلف دیگر پیوند H در آب مایع دارند.

استفاده از CVS فراتر از آب است

طیف‌سنجی ارتعاش همبسته (CVS) به دانشمندان اجازه می‌دهد تغییراتی را که مولکول‌های آب در مقیاس کوانتومی تجربه می‌کنند، مطالعه کنند. برای مثال، این موضوع قبلاً شناخته شده بود که وقتی یون‌های OH⁻ (هیدروکسید) به آب اضافه می‌شوند، آب قلیایی می‌شود و افزودن پروتون‌ها باعث اسیدی شدن آب می‌شود.

«با CVS، ما اکنون می‌توانیم دقیقاً مشخص کنیم که چقدر بار اضافی یون‌های هیدروکسید به شبکه‌های پیوند H می‌بخشند (۸٪) و چقدر بار پروتون‌ها از آن دریافت می‌کنند (۴٪) — اندازه‌گیری‌های دقیقی که قبلاً به‌طور تجربی انجام نشده بود،" میشا فلور، نویسنده اصلی مطالعه و دانشجوی دکترا در EPFL، گفت.

با این حال، CVS محدود به فاش کردن جزئیات شبکه‌های پیوند H در مولکول‌های آب نیست. نویسندگان مطالعه پیشنهاد می‌دهند که آن می‌تواند برای مطالعه سایر مواد شیمیایی در مقیاس مولکولی نیز استفاده شود.

امیدواریم که در آینده، CVS به دانشمندان کمک کند بسیاری از اسرار مرتبط با سایر مایعات و سیستم‌های شیمیایی و فیزیکی دیگر را کشف کنند.

این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.