Teraz naukowcy, pod kierownictwem Sylvie Roke, szefowej Laboratorium Podstawowej Biofotoniki w Szkole Inżynierii EPFL, opublikowali nową metodę – skorelowaną spektroskopię wibracyjną (CVS) – która umożliwia im zmierzenie, jak zachowują się cząsteczki wody, gdy uczestniczą w sieciach wiązań H. Co najważniejsze, CVS pozwala naukowcom odróżnić takie uczestniczące (oddziałujące) cząsteczki od losowo rozmieszczonych cząsteczek bez wiązań H (nieoddziałujących). Natomiast każda inna metoda raportuje pomiary obu typów cząsteczek jednocześnie, uniemożliwiając ich rozróżnienie. – Obecne metody spektroskopii mierzą rozproszenie światła laserowego spowodowane wibracjami wszystkich cząsteczek w układzie, więc musisz zgadywać lub zakładać, że to, co widzisz, jest spowodowane interakcją molekularną, którą jesteś zainteresowany. W przypadku CVS tryb wibracyjny każdego innego typu cząsteczki ma swoje własne widmo wibracyjne, a ponieważ każde widmo ma unikalny pik odpowiadający cząsteczkom wody poruszającym się tam i z powrotem wzdłuż wiązań H, możemy bezpośrednio zmierzyć ich właściwości, takie jak ilość współdzielonego ładunku elektronowego i wpływ na siłę wiązań H – wyjaśnia Roke.

Aby odróżnić cząsteczki oddziałujące od nieoddziałujących, naukowcy oświetlili ciekłą wodę femtosekundowymi (tj. jedna kwadrylionowa sekundy) impulsami laserowymi w zakresie bliskiej podczerwieni. Te ultrakrótkie impulsy światła powodują niewielkie oscylacje ładunków i przemieszczenia atomów w wodzie, które wyzwalają emisję światła widzialnego. Emitowane światło pojawia się we wzorze rozpraszania, który zawiera kluczowe informacje o przestrzennej organizacji cząsteczek, podczas gdy kolor fotonów zawiera informacje o przemieszczeniach atomowych wewnątrz i między cząsteczkami. – Typowe eksperymenty umieszczają detektor spektrograficzny pod kątem 90 stopni do padającej wiązki laserowej, ale zdaliśmy sobie sprawę, że możemy badać oddziałujące cząsteczki, po prostu zmieniając pozycję detektora i rejestrując widma przy użyciu określonych kombinacji światła spolaryzowanego. W ten sposób możemy tworzyć oddzielne widma dla nieoddziałujących i oddziałujących cząsteczek – dodaje Roke.

Zespół przeprowadził więcej eksperymentów mających na celu wykorzystanie CVS do rozdzielenia elektronicznych i jądrowych efektów kwantowych sieci wiązań H, np. poprzez zmianę pH wody za pomocą dodania jonów wodorotlenkowych (czyniąc ją bardziej zasadową) lub protonów (bardziej kwaśną). – Jony wodorotlenkowe i protony uczestniczą w wiązaniach H, więc zmiana pH wody zmienia jej reaktywność. Dzięki CVS możemy teraz dokładnie określić, ile dodatkowego ładunku jony wodorotlenkowe przekazują do sieci wiązań H (8%) i ile ładunku protony z niej przyjmują (4%) –- precyzyjne pomiary, których nigdy wcześniej nie można było wykonać eksperymentalnie – tłumaczy doktorant Mischa Flór. Wartości te zostały wyjaśnione za pomocą zaawansowanych symulacji przeprowadzonych przez współpracowników z Francji, Włoch i Wielkiej Brytanii. Naukowcy podkreślają, że metoda, którą potwierdzili również za pomocą obliczeń teoretycznych, może być zastosowana do dowolnego materiału, a kilka nowych eksperymentów jest już w toku.