Вода, символизирующая жизнь, объединяет молекулы H₂O в структуры с помощью водородных связей, чье поведение до сих пор оставалось загадкой. Эти связи возникают, когда водород и кислород соседних молекул обмениваются зарядом, образуя сложную трёхмерную сеть, ответственную за уникальные свойства воды.
В новом исследовании под руководством Сильви Рок из EPFL представлен метод коррелированной колебательной спектроскопии (CVS), который впервые позволяет учёным наблюдать поведение молекул воды в водородных сетях. Эта технология отличается от других тем, что способна различать молекулы, задействованные в водородных связях, от свободных молекул, тогда как традиционные методы фиксируют данные обо всех молекулах одновременно. По словам Рок, CVS помогает детально исследовать колебания, соответствующие движениям молекул вдоль водородных связей, что позволяет точно измерить распределение электронного заряда и оценить прочность каждой связи.
Для этих экспериментов учёные использовали фемтосекундные лазеры, генерирующие ультракороткие импульсы света, чтобы активировать в воде колебания, сопровождающиеся излучением видимого света. Так возникает рисунок рассеяния, показывающий пространственную организацию молекул, а цвет световых волн несёт информацию об их внутреннем движении. Перемещая детектор и настраивая поляризацию лазерного луча, исследователи смогли создать отдельные спектры для взаимодействующих и свободных молекул.
Учёные также исследовали роль pH в водородных связях, добавляя гидроксид-ионы и протоны, что меняло щелочность или кислотность воды. CVS помог определить, сколько заряда добавляют гидроксид-ионы (8%) и принимают протоны (4%), позволяя учёным впервые измерить эти значения. Это открытие объяснили с помощью симуляций, проведённых совместно с коллегами из Франции, Италии и Великобритании.
Метод CVS подтверждён теоретически и применим не только к воде, но и к другим растворам и материалам. «CVS — это мощный инструмент для молекулярных исследований любых растворов, включая электролиты, аминокислоты, ДНК и белки, а также других жидкостей и систем», — добавила Рок, подчеркнув перспективы метода для будущих открытий.