Еще девять лет назад исследователи из России заявили, что им удалось разделить воду на два спиновых изомера, однако тогда их сообщение было воспринято научным сообществом неоднозначно. Теперь химики из Израиля заявляют, что им удалось провести разделение спиновых изомеров воды, используя другую методику, предполагается, что результаты исследования могут оказаться полезными для увеличения чувствительности метода ЯМР.

Молекулы воды существуют в форме двух спиновых изомеров – «орто-вода», в которой ядерные спины атомов водорода параллельны и «пара-вода», в которой ядерные спины атомов водорода антипараллельны. Некоторые особо тонкие свойства изомеров различаются, однако даже это незначительное различие в ряде случаев может оказаться весьма значимым.

Например, в астрофизике соотношение орто- и пара-изомеров воды используется для определения температуры в межзвездном пространстве, хотя получаемые таким способом данные непросто интерпретировать, во многом по причине того, что исследователи до настоящего времени не могли изучить индивидуальные свойства каждого из изомеров в отдельности.

Рис. 1. Поток молекул воды проходит
через магнитную систему. Одна из спиновых
проекций орто-воды фокусируется магнитным
полем, а другая – рассеивается в пространстве.
(Рисунок из Science, 2011,
DOI: 10.1126/science.1200433).

В 2002 году Владимир (Vladimir Tikhonov) и Александр Волков (Alexander Volkov) заявили, что смогли на 25 минут получать капли воды, обогащенные либо орто- либо пара- спиновым изомером, в основу разделения легли различная скорость адсорбции изомеров воды на поверхности. Однако эти эксперименты было трудно воспроизводить и ряд химиков, как, например, Ганс-Гейнрих Лимбах (Hans-Heinrich Limbach) из Свободного Университета Берлина, заявляли, что капля, состоящая из одного изомера должна быть неустойчива, стремясь вернуться к состоянию спиново-изотопной смеси.

Гил Александрович (Gil Alexandrowicz) из Технологического Института в Хайфе подтвердили результаты экспериментов Тихонова и Волкова, однако применив для разделения изомеров воды другой подход, основанный на отклонении молекул воды магнитным полем. Предложенный исследователями способ разделения основан на знаменитом опыте Штерна-Герлаха. Разделение изомеров воды проводилось следующим образом – пучок молекул воды, находящихся в газовой фазе, пропускали через магнит с шестью полюсами, магнитное поле изменяет траекторию движения молекул воды в зависимости от их спиновой проекции.

Александрович, как и исследователи из его группы, уверены, что вода, обогащенная одним из спиновых изомеров (или представленная лишь одним из изомеров), может оказаться полезным растворителем для экспериментов ЯМР, использование которого может повысить разрешение сигналов в 100000 раз!

Лимбах, скептически относившийся к экспериментам Тихонова и Волкова, уверен, что группе Александровича удалось получить системы, обогащенные орто-водой. Однако, он заявляет, что такое разделение бесполезно для решения практических задач – в результате конденсации паров орто-водорода на поверхности и образования капли в конденсированной системе произойдет быстрая спиновая изомеризация, поэтому заявленная Александровичем возможность использования орто- или пара-изомеров воды ы ЯМР не выдерживает никакой критики.