Команда ученых из США и Швеции впервые непосредственно наблюдала, как атомы водорода в молекулах воды в возбужденном состоянии тянут и толкают своих соседей. Результаты их исследования помогут физикам раскрыть происхождение странных свойств воды и понять, как вода способствует функции белков в живых организмах.

У обычной воды есть много странных свойств, которые ученые пока не могут объяснить. Хотя большинство видов жидкости становятся при охлаждении плотнее, вода достигает наибольшей плотности при 4 градусах Цельсия. Поэтому лед сначала образуется на поверхности пруда. Также у нее необычайно высокое поверхностное напряжение, что позволяет насекомым ходить по ее поверхности, и большая теплоемкость.

Из школьного курса химии известно, что каждая молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Их удерживают вместе водородные связи между положительно заряженными атомами водорода в одной молекуле и отрицательно заряженными атомами кислорода в соседних. Эти запутанные отношения лежат в основе многих свойств воды, но до недавних пор ученые не могли наблюдать напрямую, как молекулы воды взаимодействуют друг с другом.

До сих пор наблюдения затруднял крошечный размер и высокая скорость движения водородных связей. Эксперимент, проведенный группой ученых из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Стэнфордского университета и Стокгольмского университета, смог обойти эту трудность, задействовав электронную камеру MEV-UED, способное распознавать мельчайшие движения молекул с помощью мощных пучков электронов.

Ученые создали струи жидкой воды толщиной 100 нм и заставили их вибрировать под инфракрасным лазерным лучом. Затем они направили на молекулы короткие импульсы высокоэнергетических электронов MEV-UED, пишет Stanford News. Полученные моментальные снимки атомной структуры молекул они объединили в покадровое видео о том, как молекулы воды реагируют на свет.

Из наблюдения за тремя молекулами видно, что когда они начинают вибрировать, атомы водорода подтягивают атомы кислорода из соседних молекул ближе к себе, а потом отталкивают с новообретенной силой, расширяя пространство между молекулами.

Ученые надеются использовать этот метод для исследования квантовой природы водородных связей и их роли в еще неизученных свойствах воды, играющих важную роль во многих химически и биологических процессах.