Cząsteczki wody wykazują niezwykłe właściwości. Ale tak naprawdę dlaczego?

Woda odkrywa swoje tajemnice. Naukowcy podglądają wiązania wodorowe

Nieuchwytna do tej pory „kwantowa siła przyciągania” między cząsteczkami wody w końcu została zmierzona. Naukowcy przeprowadzili badania, które rzucają nowe światło na wiązania wodorowe. To dzięki nim woda ma niezwykłe właściwości i odgrywa tak ważną rolę w wielu procesach biologicznych.

Woda jest wszędzie wokół nas. Pokrywa aż 71% Ziemi, choć tylko 2,5% stanowi woda słodka. Popularna H2O jest jedną z najmniej poznanych cieczy w przyrodzie – wykazuje wiele dziwnych zachowań, których do dzisiaj nie sposób wyjaśnić. Można się choćby zastanawiać, jak to możliwe, że największą gęstość woda ma w temperaturze ok. 3,8oC, tuż powyżej punktu zamarzania. A przecież większość cieczy gęstnieje wraz ze spadkiem temperatury. Woda ma także wysokie napięcie powierzchniowe, pozwalające owadom chodzić po jej tafli, a także dużą zdolność do magazynowania ciepła, zapewniającą stabilne warunki do życia dla organizmów żywych w oceanach.

Naukowcy z Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda (SLAC) i Uniwersytetu Sztokholmskiego dokonali pierwszej bezpośredniej obserwacji tego, jak atomy wodoru w cząsteczkach wody ciągną i popychają sąsiednie molekuły, gdy pobudzi się je przez laser. Dlaczego to takie istotne odkrycie? Wyniki tych badań mogą wyjaśnić nietypowe właściwości wody. Mogą także pomóc zrozumieć rolę H2O w naszym organizmie.

Chociaż spekulowano, że ten tzw. jądrowy efekt kwantowy leży u podstaw wielu dziwnych właściwości wody, w tym eksperymencie po raz pierwszy został on bezpośrednio zaobserwowany. Pytanie brzmi, czy ten efekt kwantowy może być brakującym ogniwem w modelach teoretycznych opisujących anomalne właściwości wody?

prof. Anders Nilsson z Uniwersytetu Sztokholmskiego

Najlepiej rozpoznawalny wzór chemiczny na świecie

Wzór chemiczny wody – H2O – mówi wszystko. Cząsteczka składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, ale kluczowe wydają się być wiązania wodorowe, które łączą poszczególne molekuły. Wielu naukowców jest przekonanych, że to właśnie wiązania wodorowe są przyczyną wielu nietypowych właściwości wody. Przez długi czas nie udało się zaobserwować bezpośrednich oddziaływań między cząsteczkami H2O, ale teraz się to zmieniło.

Niska masa atomów wodoru uwydatnia ich kwantową naturę. To badanie jest pierwszym, które bezpośrednio pokazuje, że odpowiedź sieci wiązań wodorowych na impuls energii zależy od kwantowo-mechanicznej natury sposobu rozmieszczenia atomów wodoru, co od dawna sugerowano jako odpowiedzialne za unikalne atrybuty wody i jej sieci wiązań wodorowych.

Kelly Gaffney z Instytutu Stanford PULSE w SLAC

Obserwacja oddziaływań wodorowych między różnymi cząsteczkami wody była do tej pory niemożliwa – nie było urządzenia o wystarczającej czułości, by można było je podglądnąć. Dzięki wykorzystaniu MeV-UED, szybkiej kamery elektronowej, która wykrywa nawet najdrobniejsze drgania cząsteczek poprzez rozpraszanie wiązki laserowej.

Wiązania wodorowe między cząsteczkami wody

W eksperymencie, szczegółowo opisanym w Nature, użyto strumienia ciekłej wody o grubości zaledwie 100 nm – to aż 1000 razy mniej niż szerokość ludzkiego włosa. Tworzące go cząsteczki wody zostały wprawione w drgania za pomocą wiązki lasera, a także krótkich impulsów wysokoenergetycznych pochodzących z MeV-UED. Dzięki temu udało się uzyskać wysoką rozdzielczość zmieniających się struktur atomowych H2O.

Podczas impulsu lasera w wodzie dzieje się coś niesamowitego. Odkryto, że gdy wzbudzona cząsteczka zaczyna wibrować, tworzące ją atomy wodoru przyciągają atomy tlenu sąsiednich cząsteczek molekuł wody, po czym odpycha je z dużą siłą, zwiększając dystans między nimi. To unikatowe zjawisko, którego nie obserwujemy w innych płynach.

Co te odkrycia mówią nam o wodzie?

Eksperymenty SLAC to dopiero pierwszy krok przybliżający nas w stronę zrozumienia kwantowej natury wiązań wodorowych i roli, jaką odgrywają w wielu procesach biologicznych oraz chemicznych. Niektórzy mówią już nawet o nowym „oknie do badań wody”. To może być prawdziwy przełom, pozwalający lepiej zrozumieć wodę – zarówno na Ziemi, jak i innych planetach.

To naprawdę otworzyło nowe okno do badania wody. Teraz, gdy wreszcie możemy zobaczyć ruch wiązań wodorowych, chcielibyśmy umieścić je w szerszym kontekście, który mogłoby rzucić światło na to, jak woda doprowadziła do powstania i przetrwania życia na Ziemi, a także wskazać na kierunek przyszłych metod energii odnawialnej.

Xijie Wang, pracownik naukowy SLAC i współpracownik badań