Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Nowa metoda spektroskopii ujawnia kwantowy sekret wiązań wodorowych w wodzie
Nowa metoda spektroskopii ujawnia kwantowy sekret wiązań wodorowych w wodzie

Wiązania wodorowe powstają, gdy atomy wodoru i tlenu między cząsteczkami wody oddziałują ze sobą, dzieląc się ładunkiem elektronowym. Ten podział ładunku jest kluczową cechą trójwymiarowej sieci wiązań H, która nadaje wodzie jej unikalne właściwości, ale zjawiska kwantowe w sercu takich sieci były dotychczas rozumiane jedynie poprzez symulacje teoretyczne.

 

 

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.

Źródła

1. Mischa Flór, David M. Wilkins, Miguel de la Puente, Damien Laage, Giuseppe Cassone, Ali Hassanali, Sylvie Roke. Dissecting the hydrogen bond network of water: Charge transfer and nuclear quantum effects. Science, 2024.

2. https://www.inceptivemind.com/blurb/new-spectroscopy-reveals-waters-quantum-secrets/

Fot. https://unsplash.com/photos/water-droplets-V-afy242gY4

KOMENTARZE
news

<Grudzień 2024>

pnwtśrczptsbnd
25
26
27
28
LSOS Summit 2024
2024-11-28 do 2024-11-29
1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
1
2
3
4
5
Newsletter