Новый подход к изучению вязкости воды выявил неизвестные ранее факты о поведении молекул воды и может открыть пути для электроники на основе жидкости.

Группа исследователей, возглавляемая Национальной лабораторией Oak Ridge Министерства энергетики (Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory), использовала метод неупругого рентгеновского рассеяния с высоким разрешением для измерения сильной связи атома водорода, зажатым между двумя атомами кислорода. Эта водородная связь является квантовомеханическим явлением, ответственным за различные свойства воды, включая вязкость, которая определяет сопротивление жидкости течению или изменению формы.

В то время как вода является самым распространенным веществом на Земле, ее поведение на молекулярном уровне изучено недостаточно.

«Несмотря на все, что мы знаем о воде, это таинственная, нетипичная субстанция, которую нам нужно лучше понять, чтобы разблокировать ее огромный потенциал, особенно в области информационных и энергетических технологий», – сказал Такеши Эгами, Университет Теннесси-ORNL.

Исследовательская группа, возглавляемая лабораторией Oak Ridge, использовала сложную методику рентгеновского рассеяния для визуализации и количественного определения движения молекул воды в пространстве и времени, что дает новые идеи, которые могут открывать пути для электроники на основе жидкости. Credit: Jason Richards/Oak Ridge National Laboratory, US Dept. of Energy

Исследование группы, опубликованное в Science Advances, показало, что можно изучать динамику воды и других жидкостей в реальном времени. Предыдущие исследования предоставили снимки атомной структуры воды, но мало что известно о том, как двигаются молекулы воды.

«Водородная связь оказывает сильное влияние на динамическую корреляцию между молекулами по мере их перемещения по пространству и времени, но до сих пор данные, в основном благодаря оптической лазерной спектроскопии, дали «туманные» результаты с нечеткой специфичностью», – сказал Эгами.

Для более четкой картины совместная команда ORNL-UT использовала усовершенствованную рентгеновскую методику, известную как неупругое рентгеновское рассеяние, для определения молекулярного движения. Они обнаружили, что динамика кислород-кислородной связи между молекулами воды неожиданно не случайна, а чрезвычайно скоординирована. Когда связь между молекулами воды нарушается, сильные водородные связи работают для поддержания стабильного состояния в течение определенного периода времени.

«Мы обнаружили, что количество времени, которое требуется молекуле для изменения ее «соседней» молекулы, определяет вязкость воды», – сказал Эгами.

Это новое открытие будет стимулировать дальнейшие исследования по контролю за вязкостью других жидкостей.

Эгами рассматривает текущую работу в качестве плацдарма для более продвинутых исследований, которые будут использовать методы рассеяния нейтронов, чтобы дополнительно определить вязкость и другие динамические свойства жидкостей.

Подход исследователей можно было бы также использовать для характеристики молекулярного поведения и вязкости ионных или соленых жидкостей и других жидких веществ, что помогло бы в разработке новых типов полупроводниковых приборов с жидкими электролитными изолирующими слоями, улучшенных батарей и смазочных материалов.

Источник: Takuya Iwashita, Bin Wu, Wei-Ren Chen, Satoshi Tsutsui, Alfred Q. R. Baron, Takeshi Egami. Seeing real-space dynamics of liquid water through inelastic x-ray scattering. Science Advances, 2017; 3 (12): e1603079 DOI: 10.1126/sciadv.1603079