Вода может вести себя как жидкий кристалл

Ученые из Стокгольмского университета обнаружили, что вода может демонстрировать поведение, подобное поведению жидкого кристалла при освещении лазерным светом. 

Этот эффект возникает из-за выравнивания молекул воды, которые демонстрируют смесь молекул с низкой и высокой плотностью, более или менее склонных к выравниванию. 

Результаты, представленные в Physics Review Letters , основаны на комбинации экспериментальных исследований с использованием рентгеновских лазеров и молекулярного моделирования.

Жидкие кристаллы считались просто научной фантазией, когда они были впервые обнаружены в 1888 году. Спустя более 100 лет они стали одной из наиболее широко используемых технологий, присутствующих в цифровых дисплеях (ЖК-дисплеях) часов, телевизорах и экранах компьютеров. 

Жидкие кристаллы работают, применяя электрическое поле , которое заставляет соседние молекулы жидкости выстраиваться, напоминая кристалл. Вода также может искажаться в сторону жидкого кристалла при освещении лазерным светом. 

Известно, что электрическое поле лазера может выстраивать молекулы воды менее чем за миллиардную долю секунды. Может ли это открытие найти технологическое применение в будущем?

Международная группа исследователей на физическом факультете Стокгольмского университета провела эксперименты на японском рентгеновском лазере на свободных электронах SACLA и впервые исследовала динамику кратковременно ориентированных молекул с помощью рентгеновских импульсов. 

Этот метод основан на выравнивании молекул с помощью лазерного импульса (с длиной волны λ = 800 нм) и зондировании совмещения с помощью импульсов рентгеновского излучения, что позволяет видеть в реальном времени изменения в структуре на молекулярном уровне. Изменяя время между лазерным и рентгеновским импульсами, исследователи смогли разрешить выровненное состояние, которое живет всего 160 фс.

«Известно, что молекулы воды выровнены из-за поляризации лазерного импульса », - объясняет Кён Хван Ким, бывший исследователь Стокгольмского университета и в настоящее время доцент Университета POSTECH в Корее, «это уникальная возможность, однако, возможность использовать рентгеновские лазеры, чтобы видеть выравнивание молекул в реальном времени ».

Рентгеновские лучи идеально подходят для исследования молекул, потому что их длина волны совпадает со шкалами молекулярных длин, - говорит доктор Александр Спах, бывший аспирант по физике в Стокгольмском университете, а в настоящее время - постдок в Стэнфордском университете. Нам действительно нравится иметь возможность использовать внедренные рентгеновские установки для исследования фундаментальных вопросов , которые могли бы в будущем технологических приложений.

Эксперименты были хорошо воспроизведены с помощью молекулярного моделирования, которое дало понимание лежащего в основе механизма выравнивания. Предполагая, что вода ведет себя как жидкость с двумя состояниями, состоящая из жидких доменов высокой и низкой плотности (ЛПВП и ЛПНП), исследователи обнаружили, что каждый домен проявляет различную тенденцию к выравниванию.

«Молекулы воды в областях ЛПНП имеют более прочную сеть водородных связей, что позволяет молекулам легче реагировать на сильное лазерное поле», - объясняет Андерс Нильссон, профессор химической физики Стокгольмского университета. «Было бы интересно измерить время жизни молекулярного выравнивания в режиме переохлаждения, когда все, как ожидается, резко замедлится».

«Способность понимать воду на молекулярном уровне, наблюдая за изменениями сети водородных связей, может сыграть важную роль в биологической активности», - говорит Фивос Перакис, доцент кафедры физики Стокгольмского университета. «Мне любопытно посмотреть, может ли наблюдаемое выравнивание привести к технологическим применениям в будущем, например, в связи с очисткой и опреснением воды».