Американські фізики використовували дифракцію надшвидких електронів для дослідження динаміки міжмолекулярних зв'язків у рідкій воді після її іонізації лазерним імпульсом. Вони експериментально підтвердили теоретичні розрахунки, що передбачають утворення короткоживучого комплексу OH (H3O +), а також отримали інформацію про релаксацію локального нагріву. Робота опублікована в.
Вода відіграє ключову роль у житті людини, тому її вивчають особливо активно. При уявній простоті води, її внутрішньо- і міжмолекулярна структура виявляється досить складною, детальніше про це можна прочитати в наших матеріалах "П'ять стихій: вода "і" Хризопея води ". Інша особливість води полягає в тому, що її молекулярна динаміка проявляється на дуже коротких, субпікосекундних часах. З цієї причини, до речі, всупереч поширеному міфу вода не може зберігати інформацію (докладніше про це та інші міфи, пов'язані з водою, ми розповідали в матеріалі «Жива і нежива»).
Написане вище стосується і води, підданої радіолізу, тобто розкладання під дією іонізованого випромінювання. Іонізована вода відіграє важливу роль у цілій низці сфер діяльності, починаючи від радіотерапії і закінчуючи знезараженням. Теорія пророкує, що наступний за іонізацією протонний обмін між катіоном H2O + і нейтральною молекулою води призводить до утворення короткоживучої катіон-радикальної пари OH (H3O +), проте прямих свідчень утворення цього комплексу, так само як і його подальшої дисоціації і безвикидної релаксації до недавнього часу не було через недостатній тимчасовий дозвіл приладів.
Група американських фізиків під керівництвом Мін-Фу Лінь (Ming-Fu Lin) з Національної прискорювальної лабораторії SLAC експериментально показала, що тимчасового дозволу, яким володіє створена ними установка з рідкофазної дифракції надшвидких електронів, достатньо, щоб зафіксувати сигнал, обумовлений утворенням комплексу OH (H3O +). Вони досліджували момент його утворення і розпаду в межах декількох сотень фемтосекунд, а також подальші структурні зміни води в околицях центру збудження.
Суть експерименту полягала в іонізації плоского водяного струменя товщиною 100 нанометрів лазерним імпульсом тривалістю 65 фемтосекунд і довжиною хвилі 800 нанометрів. Слідом за ним через деякий час мішень опромінювалася пучком надшвидких електронів, дифракція яких давала інформацію про інтенсивність розсіювання залежно від величини переданого електронам імпульсу. Перетворення цієї залежності на координатне представлення дає інформацію про характерні відстані між атомами у водяній мішені. Використана авторами техніка дозволила простежити за зміною довжини міжмолекулярних O··· O і O··· H відстаней з фемтосекундною роздільною здатністю.
В результаті фізики виявили, що відразу після іонізації відбувається істотна зміна міжмолекулярних відстаней. Зокрема, через 140 фемтосекунд виникають короткі сигнали, що відповідають відстаням, рівним 1,4 і 2,4 ангстремам, які до 240 фемтосекундам загасають. Автори пов'язали їх з парами O·· H і O·· O, відстані між якими для невідшкодованої води дорівнюють 1,8 і 2,9 ангстрем відповідно. Таке скорочення свідчить про освіту і розпад катіон-радикальної пари OH (H3O +), що повністю підтверджується симуляціями молекулярної динаміки.
Вчені також звернули увагу на залишкову зміну в розподілі відстаней, яка зберігається аж до декількох пікосекунд. Вони пов'язали відповідні структурні зміни з локальним нагрівом і подальшою релаксацією. Чисельне моделювання за допомогою теорії функціоналу щільності підтвердило цю гіпотезу і показало, що локальний ріст температури безпосередньо після опромінення склав 320 кельвін.
Фізики зазначають, що деталі релаксації будуть ясні тільки за допомогою повної симуляції, що вимагає додаткових досліджень. Крім того, поліпшення тимчасового дозволу дозволить у майбутньому дізнатися подробиці того, як відбувається протонний обмін і скорочення відстані між катіоном і радикалом перед формуванням комплексу.
Раніше аналогічна техніка була використана для того, щоб простежити за релаксаційною динамікою внутрішньо- і міжмолекулярних зв'язків молекул води після збудження валентного коливання.