Почему один из лауреатов этого года ждал награды 60 лет? Что связывает птиц и острый перец, и почему это открытие достойно Нобелевской премии? Как лауреаты поделят между собой призовой фонд?

В эксперименте Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США ученые впервые напрямую наблюдали, как возбужденные атомы водорода в молекуле воды взаимодействуют с соседними молекулами. Эти квантово-механические взаимодействия лежат в основе водородных связей, с которыми связаны многие уникальные физико-химические свойства жидкой воды. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Вода — одна из самых важных, но, при этом, наименее изученных жидкостей в природе. В частности, ученые не до конца понимают механизм возникновения водородных связей, во многом определяющих поведение жидкой воды в химических реакциях.

До сих пор колебания атомов в молекулах воды физики изучали в экспериментах по сверхбыстрой спектроскопии. Однако эти эксперименты не давали непосредственного представления о движении атомов — смещение атомных позиций в них ученые оценивали путем сложного перевода спектральной динамики в динамику водородных связей.

Физики-экспериментаторы, работающие в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Стэнфордского университета, вместе с коллегами из других университетов США и Швеции использовали для наблюдения колебаний атомов высокоскоростную электронную камеру MeV-UED SLAC, которая обнаруживает малозаметные движения молекул путем рассеивания мощного пучка электронов от образцов.

Авторы создали струи жидкой воды толщиной 100 нанометров и заставили молекулы воды вибрировать с помощью инфракрасного лазерного света. Затем они взорвали молекулы короткими импульсами высокоэнергетических электронов, испускаемых камерой. В результате ученые получили снимки с высоким разрешением изменяющейся атомной структуры молекул, которые они объединили в покадровый фильм, показывающий, как сеть молекул воды реагирует на свет.

Снимки, которые были сфокусированы на группе из трех молекул, показали, что, когда возбужденная молекула воды начинает вибрировать, ее атом водорода на короткое время порядка 80 фемтосекунд притягивает атомы кислорода к соседним молекулам, прежде чем оттолкнуть их с новой силой, расширяя пространство между молекулами. При этом во время сближения происходит сжатие водородной связи примерно на 0,04 ангстрема и нагрев, сохраняющийся в течение одной пикосекунды.

Другими словами, атомы водорода в молекулах воды непрерывно то притягивают, то отталкивают соседние молекулы. Каждая молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода, а сеть водородных связей между положительно заряженными атомами водорода в одной молекуле и отрицательно заряженными атомами кислорода в соседних молекулах удерживает их все вместе.

«Малая масса атомов водорода усиливает их квантово-волновое поведение, — приводятся в пресс-релизе Национальной ускорительной лаборатории SLAC слова одного из авторов исследования доктора Келли Гаффни (Kelly Gaffney), физика из Стэнфордского института. — Это первое исследование, которое напрямую демонстрирует, что реакция сети водородных связей на импульс энергии зависит от квантово-механической природы того, как атомы водорода разнесены и взаимосвязаны».

Запутанная квантово-механическая сеть атомов водорода, по мнению авторов, лежит в основе многих свойств воды, которые физики не могли объяснить, пока не увидели, как молекулы воды взаимодействуют между собой.