Квантовое туннелирование воды
Квантовое туннелирование воды происходит, когда молекулы воды в наноканалах демонстрируют поведение квантового туннелирования , которое размывает положения атомов водорода в пару коррелированных колец. [ 1 ] В этом состоянии молекулы воды делокализуются вокруг кольца и принимают необычную форму, напоминающую двойную вершину. При низких температурах это явление демонстрирует квантовое движение воды через разделяющие потенциальные стенки, что запрещено в классической механике , но разрешено в квантовой механике . [ 2 ]
Квантовое туннелирование воды происходит в условиях ультраконфайнмента в камнях, почве и клеточных стенках. [ 2 ] Предполагается, что это явление поможет ученым лучше понять термодинамические свойства и поведение воды в замкнутых средах, таких как диффузия воды , транспорт в каналах клеточных мембран и в углеродных нанотрубках .
История
[ редактировать ]О квантовом туннелировании в воде было сообщено еще в 1992 году. В то время было известно, что движения могут разрушать и регенерировать слабую водородную связь за счет внутреннего вращения замещающих мономеров воды . [ 3 ]
18 марта 2016 года сообщалось, что водородная связь может быть разорвана путем квантового туннелирования в гексамере воды . В отличие от ранее сообщавшихся туннельных движений в воде, это включало согласованный разрыв двух водородных связей. [ 4 ]
22 апреля 2016 года журнал Physical Review Letters сообщил о квантовом туннелировании молекул воды, продемонстрированном в источнике расщепленных нейтронов и лаборатории Резерфорда Эпплтона . Первые признаки этого явления были замечены учеными из России и Германии в 2013 году. [ 5 ] основан на расщеплении терагерцовых линий поглощения молекулы воды, захваченной в пятиангстремовых каналах в берилле . Впоследствии это было непосредственно обнаружено с помощью рассеяния нейтронов и проанализировано с помощью моделирования ab initio . [ 6 ] В берилловом канале молекула воды может занимать шесть симметричных ориентаций, что соответствует известной кристаллической структуре . [ 1 ] В одной ориентации атом кислорода находится примерно в центре канала, а два атома водорода направлены на одну и ту же сторону к одной из шести шестиугольных граней канала. Другие ориентации указывают на другие грани, но отделены друг от друга энергетическим барьером около 50 мэВ . [ 1 ] Однако эти барьеры не мешают водородам туннелировать между шестью ориентациями и, таким образом, расщеплять энергию основного состояния на несколько уровней. [ 1 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Михаэль Ширбер (22 апреля 2016 г.). «Фокус: молекула воды распространяется, находясь в клетке» . Физика . 9 (43) . Проверено 23 апреля 2016 г.
- ^ Jump up to: а б Рон Уолли. «Обнаружено новое состояние молекулы воды» . Физика.орг . Проверено 23 апреля 2016 г.
- ^ Н. Пульяно. Динамика вибрационно-вращательного туннелирования в небольших кластерах воды , Лаборатория Лоуренса Беркли , ноябрь 1992 г., с. 6
- ^ Ричардсон, Джереми О.; и др. (18 марта 2016 г.). «Согласованное разрушение водородной связи путем квантового туннелирования в водной гексамерной призме» . Наука . 351 (6279): 1310–1313. Бибкод : 2016Sci...351.1310R . дои : 10.1126/science.aae0012 . ПМИД 26989250 .
- ^ Горшунов Борис П.; и др. (29 мая 2013 г.). «Квантовое поведение молекул воды, заключенных в нанополостях в драгоценных камнях». Журнал писем по физической химии . 4 (12): 2015–2020. дои : 10.1021/jz400782j . ПМИД 26283245 . S2CID 19915207 .
- ^ Колесников Александр Иванович; и др. (22 апреля 2016 г.). «Квантовое туннелирование воды в берилле: новое состояние молекулы воды» . Письма о физических отзывах . 116 (16): 167802. Бибкод : 2016PhRvL.116p7802K . doi : 10.1103/PhysRevLett.116.167802 . ПМИД 27152824 .