Ученые обнаружили в жидкой воде квазичастицы твердых тел

В научном журнале Nature Communications опубликован результат эксперимента американских ученых из Университета Стоуни-Брук, в ходе которого выяснилось, что вода больше похожа на лед, чем специалисты думали раньше. Это удалось выяснить с помощью компьютерного моделирования и ИК-спектра.

Отличия твердых и жидких веществ заключены в ряде их свойств. Например, в твердых телах есть фотоны, которые представляют собой неделимую часть (квант) колебательного движения атомов и молекул. Колебания у твердых тел, в свою очередь, могут быть продольными или поперечными и совершаемые всеми молекулами одновременно, так как они связаны между собой. Молекулы жидких веществ такой связки не имеют и отличаются намного большей свободой - могут вращаться и колебаться независимо друг от друга.

О колебании веществ может рассказать инфракрасный спектр, который при воздействии на вещество имеет возможность вызвать эффект Рамана, при котором фотоны рассеиваются, изменяя свою частоту в сторону уменьшения. В итоге возникает спектр с пиками, сигнализирующими о тех или иных колебаниях.

Как выяснили ученые из Университета Стоуни-Брук, в ИК-спектре воды не должно было пиков, возникших при эксперименте. В качестве объяснения такого результата, была выдвинута теория о поперечных колебаниях молекул, распространяющихся в виде фотона. Это само по себе предполагает наличие водородных связей между молекулами, что делает воду похожей на лёд.

Наличие водородных связей невозможно подтвердить с помощью микроскопии, так что для этого пришлось создать компьютерную модель в сверхмощном компьютере. Главной задачей ученых было создание "виртуальной воды", для которой необходимо было использовать все известные химические и физические законы для того, чтобы над этой "водой" потом провести нужные дополнительные эксперименты. И обнаружить фотон, то есть совместное колебание молекул воды, всё-таки удалось - он и доказывал существование пиков в ИК-спектре.

Физики уверены, что открытие фотона жидкости, позволит усовершенствовать модель воды и намного больше узнать о ее свойствах.