В жидкой воде нашли квазичастицы твердых тел

Исследователи из Университета Стоуни-Брук с помощью компьютерного моделирования показали, что вода по своим молекулярным свойствам больше похожа на лед, чем считалось ранее. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Твердые тела и жидкости отличаются друг от друга рядом свойств. Одно из этих отличий заключается в том, что в твердых телах существуют фононы. Фонон — это квант колебательного движения атомов или молекул. По аналогии с фотоном он представляет собой волну с определенной энергией, но в данном случае эта волна распространяется в твердом теле через колебания взаимосвязанных частиц. Колебания могут быть продольными или поперечными. В отличие от твердых тел молекулы жидкости не совершают коллективных колебаний, они обладают большей свободой и предпочитают вращаться или колебаться независимо одна от другой.

О колебаниях молекул может рассказать ИК-спектр, получаемый благодаря взаимодействию инфракрасного спектра с веществом. При этом может происходить эффект Рамана, когда фотоны рассеиваются с изменением своей частоты, обычно в сторону ее уменьшения. В результате получается спектр с пиками, которые возникают из-за определенных видов колебаний.

Ученым было известно, что в ИК-спектре воды присутствовали пики, которых в теории быть не должно. Чтобы объяснить их существование, физики выдвинули гипотезу, что за этот пик отвечают поперечные колебания молекул, которые распространяются в виде фонона. Для этого необходимо образование длинных цепочек молекул, соединенных водородными связями. А это делает воду на молекулярном уровне похожей на лед.

Так как было невозможно использовать микроскопию для изучения конфигураций молекул воды и водородных связей, физики создали компьютерные модели на базе кластера суперкомпьютеров. Главной задачей было сгенерировать виртуальную воду с использованием всех известных физических и химических законов, чтобы провести над ней необходимые эксперименты. Они обнаружили, что фонон, как совокупное колебание молекул, создает такое рассеивание инфракрасных фононов, которое объясняет существование пиков в ИК-спектре.

Физики считают, что открытие фононов позволит узнать больше нового о физических свойствах воды и уточнить существующие модели.

Вода состоит из трехатомных молекул, каждая из которых может образовать четыре водородные связи с другими молекулами: две приходится на кислород, и по одной — на каждый атом водорода. Водородная связь возникает между атомами кислорода и водорода. При переходе воды в твердое состояние молекулы воды упорядочиваются с образованием кристалла, и каждая из них связана с четырьмя другими молекулами.