Strukturalna „pamięć" cząsteczek wody

Ilustracja: Yuki Nagata/MPI-P

W wodzie istnieją podstruktury o stosunkowo długim okresie trwania – zostały one odkryte ostatnio przez naukowców Instytutu Badań Polimerów Maxa Plancka (MPI-P) przy użyciu ultraszybkiej spektroskopii wibracyjnej. Można nawet uznać, że woda posiada strukturalną „pamięć". Artykuł na ten temat opublikowano w czasopiśmie „Nature Communications".

Na bazie eksperymentów z użyciem kombinacji ultraszybkich laserów naukowcy odkryli, że lokalne struktury w wodzie istnieją dłużej niż pikosekunda (10^-12s). Odkrycie to zmienia postrzeganie wody jako rozpuszczalnika. 71 proc. powierzchni ziemi pokrywa woda. „Większość chemicznych i biologicznych reakcji zachodzących na ziemi odbywa się w wodzie lub na pograniczu wody i powietrza (powierzchnie oceanów, chmury). Szczegóły związane z tymi reakcjami są niezmiernie ważne dla poznania wielu procesów. Nasze wyniki pokazują, że woda nie może być traktowana jako środowisko ciągłe, lecz składające się z lokalnych struktur" twierdzi Mischa Bonn, dyrektor MPI-P.

Woda jest szczególną cieczą o ekstremalnie szybkiej dynamice. Cząsteczki wody poruszają się i kręcą w okresach czasu mniejszym niż pikosekunda, co uniemożliwia ich obserwację. Dotychczas uznawano istnienie bardzo krótko żyjących lokalnych struktur, np. dwóch cząsteczek wody, które są tak blisko siebie, lub bardzo oddalone od innych, że tracą „pamięć" o swojej lokalnej strukturze w ciągu mniej niż 0,1 pikosekundy.

Dowodem na istnienie stosunkowo długo żyjących struktur w ciekłej wodzie są pomiary wibracji wiązań tlen-wodór w wodzie. Pomiary te zostały wykonane przy pomocy ultraszybkiego spektroskopu IR, skupiając się przy tym na obserwacji cząsteczek, które są bardzo słabo lub bardzo mocno połączone z innymi cząsteczkami wiązaniami wodorowymi. Naukowcy odkryli, że wibracje trwały znacznie dłużej (do 1ps) dla cząsteczek wody o dużej separacji niż dla tych będących blisko siebie (dla tych jedyie 0,2ps). Innymi słowy, słabe wiązania pomiędzy cząsteczkami wody pozostają takimi przez bardzo długi czas.

(pj)