Вода - самое распространенное и одно из наиболее часто изучаемых веществ на Земле, однако ее геометрия на молекулярном уровне - простые два атома водорода и один атом кислорода, и то, как они взаимодействуют с другими молекулами, в том числе с другой водой - остается загадкой для химиков.
Большая часть понимания на этом уровне носит теоретический характер, требующий использования суперкомпьютеров для проведения бесчисленных расчетов в течение нескольких недель, чтобы сделать обоснованные предположения о расположении и структуре водных кластеров, прежде чем они превратятся в жидкую воду или лед.
Но новое исследование, проведенное с использованием высокотехнологичного спектрометра для спектроскопии молекулярного вращения, развеяло некоторые тайны и подтвердило некоторые очень сложные теории о том, как связываются молекулы воды. Он опубликован в номере журнала Science от 18 мая.
«Мы решили количественно определить структуру, которую принимают небольшие соединения воды, а затем сравнить их с теорией, чтобы увидеть, насколько хорошо современная квантовая химия предсказывает свойства молекул», - сказал Брукс Пейт, химик из Университета. из Колледжа искусств и наук Вирджинии, который руководил исследованием. «Экспериментально мы обнаружили, что современная квантовая химия достигла точки, когда ее теории, касающиеся необычных свойств направленной связи кластеров воды, подтверждаются в лаборатории».
Свойства воды и то, как она взаимодействует сама с собой и с другими молекулами, лежат в основе многих процессов в биологии и, вероятно, сыграли важную роль в развитии жизни на Земле. Но понимание того, как эти связи формируются на молекулярном уровне, было в основном догадками.
«Теперь у нас впервые есть реальная физическая картина того, как выглядят молекулы воды, собранные вместе, и оказывается, что они принимают три разные геометрии», - сказал Пейт. «Это согласуется с теорией».
Пате и его U. Va. команда идентифицировала и изобразила трехмерную геометрию, которую принимает молекула воды, которая является вероятной структурой-предшественником для образования жидкой воды и льда.
«Мы обнаружили, что сила связывания жидкой воды на самом деле начинает проявляться даже в крошечном скоплении», - сказал Пейт. «Задача состоит в том, чтобы выяснить, как она взаимодействует с другими молекулами и как силы между двумя молекулами воды могут быть описаны количественно, потому что ориентация того, как вода сталкивается друг с другом, имеет большое значение для связывания».
Существует бесчисленное множество вариантов того, как это происходит, и теоретики, в том числе коллега Пейта по работе, квантовый химик Джордж Шилдс из Бакнеллского университета, работали над деталями в течение многих лет без прямой экспериментальной проверки.
Трудность заключалась в разработке методов, которые были бы достаточно чувствительными, чтобы отображать крошечные молекулы воды и то, как они ориентируются при взаимодействии с другими молекулами воды. Прорыв произошел в начале этого года, когда U. Va компании Pate. команда использовала новый инструмент, молекулярный вращательный спектрометр, разработанный в течение последних двух лет, для проведения точных измерений, которые в конечном итоге подтвердили то, что выразила теория.
Улучшенная чувствительность прибора обусловлена достижениями в области высокоскоростной цифровой электроники, которые обеспечивают беспрецедентную скорость передачи данных при измерении. Эта основная технология коммерциализируется для применения в химическом анализе новым предприятием в Шарлоттсвилле, BrightSpec.
«Это позволит химикам перенести то, что мы узнали, в более крупные системы», - сказал Пейт. «Мы проверяем, может ли теория правильно определить структуру расположения молекул воды, чтобы эту информацию можно было использовать для понимания того, как вода взаимодействует в более крупных системах."
Большие системы могут включать биомолекулы, такие как белок в ДНК, и то, как окружающие молекулы воды могут взаимодействовать с этими молекулами посредством водородных связей.
«Очень приятно видеть, что экспериментальная работа, которую мы проделали, совершенно независимо от теории, так идеально сочеталась с теорией», - отметил Пейт.
Он сказал, что его исследование представляет собой закулисную работу химии, которая в конечном итоге составляет общую картину того, как вещи объединяются в гораздо больших масштабах.
«Возможно, вы не хотите знать, как был спроектирован мост, но вы точно хотите знать, что он был сделан правильно», - сказал он. «Точно так же, если теория используется для предсказания, например, того, как может работать лекарство, в идеале вы хотели бы иметь возможность проверить теорию, чтобы убедиться, что она верна, прежде чем делать лекарство. Это было бы конечной целью - иметь теория и эксперименты синхронизированы."