Чистая вода состоит не только из молекул H2O

Ученые Сколтеха в сотрудничестве с исследователями из Штутгартского университета показали, что концентрация короткоживущих ионов (H3O+ и OH-) в чистой жидкой воде намного выше, чем учитывается при оценке pH. Это открытие существенно меняет наши представления о динамической структуре воды.

Присутствующие в жидкой воде ионные частицы играют важную роль в окислительно-восстановительных процессах, каталитических реакциях и электрохимических системах. Ранее предполагалось, что ядерные квантовые эффекты способствуют низкобарьерному туннелированию атома водорода между молекулами воды, и возникновению короткоживущих состояний с избыточным протоном. Однако экспериментальное подтверждение этому отсутствовало.

Ученые Сколтеха в сотрудничестве с немецкими учеными измерили ионно-молекулярный состав жидкой воды на субпикосекундной временно́й шкале. Результат удивил ученых: они обнаружили, что несколько процентов молекул H2O временно находились в ионизированном состоянии.

Инфракрасные спектры легкой (красный), тяжелой (синий), полутяжелой (серый) воды и ионные частицы, исследованные в данной работе

Красными, белыми и черными кружками обозначены атомы кислорода, водорода и дейтерия, соответственно. Стрелками показаны направления их колебаний.

«Для определения избыточных протонных состояний мы использовали изотопологи воды: обычную (H2O), тяжелую (D2O) и полутяжелую (HDO) воду. Постепенно заменяя атомы водорода (H) дейтерием (D), мы меняли относительную концентрацию частиц, связанных с избыточным протоном — HD2O+, DH2O+, H3O+ и D3O+, и определяли их вклад в кумулятивное поглощение в ИК-диапазоне. В спектрах полутяжелой воды вблизи изгибных молекулярных мод мы обнаружили зависящие от концентрации спектральные особенности, которые невозможно было описать с помощью какой-либо из известных моделей. Мы предположили, что эти особенности связаны с избыточными протонными состояниями, которые могут проявляться на пикосекундной шкале», — отмечает один из авторов работы, профессор Центра энергетических технологий Сколтеха (CEST) Хенни Уэрдан. Результаты исследования опубликованы в издании Scientific Reports.

«Предыдущие исследования структуры воды были основаны на кристаллографических экспериментах и не отражали динамику воды. Наша работа дает новые представления о сложной структуре воды на ультракороткой временно́й шкале. Полученные результаты позволяют предположить, что в будущем будут обнаружены новые эффекты взаимодействия электрического поля и воды, а также другие необычные свойства воды», — пояснил первый автор статьи, старший научный сотрудник CEST д-р Василий Артёмов.