Warszawa, 23 marca 2016

Tunelowanie kwantowe w najmniejszej kropelce wody

Woda jest zaskakująco prostą substancją, a jednocześnie posiada szereg własności nieodzownych dla życia w znanej nam postaci. U podłoża unikalnych własności wody leży dodatkowa stabilizacja wynikająca z predyspozycji każdej cząsteczki wody do utworzenia do czterech wiązań wodorowych z sąsiadami. W lodzie sieć wiązań wodorowych jest zamrożona, natomiast w cieczy podlega ciągłej reorganizacji. Badania najmniejszych agregatów (klasterów) wody pozwalają na identyfikację struktur i dynamiki leżących u podłoża własności ‘rzeczywistej’ skondensowanej wody. Najmniejsze klastery wody posiadające realistyczną, trójwymiarową sieć wiązań wodorowych to heksamery, (H₂O)₆, zbadane szczegółowo w roku 2012 [1]. Większe klastery, heptamery [2], nonamery i dekamery [3] także zostały już zaobserwowane i wyznaczono ich dokładne struktury. Tego rodzaju badania stały się możliwe dzięki nowatorskiej metodzie badania skwantowanej rotacji cząsteczek w warunkach niskotemperaturowej fazy gazowej. Metoda ta, zwana fourierowską spektroskopią mikrofalową z zastosowaniem impulsów świergoczących, została opracowana w laboratorium University of Virginia, USA którym kieruje prof. Brookes Pate. Prof. Zbigniew Kisiel z Instytutu Fizyki PAN jest wieloletnim współpracownikiem naukowym tego zespołu, był współuczestnikiem wszystkich tych badań, i prowadzi w IFPAN pracownię zajmującą się badaniami z wykorzystaniem tego samego rodzaju spektroskopii.

Badania heksamerów wody wykazały, że w jednym z trzech zaobserwowanych konformerów, zwanym pryzmą, każda linia spektroskopowa jest rozszczepiona na szereg blisko leżących składowych. Takie zachowanie jest oznaką kwantowo-mechanicznego tunelowania pomiędzy równoważnymi konfiguracjami strukturalnymi. Eksperymentalna obserwacja wszystkich 64 możliwych odmian izotopowych tego heksameru zawierających cząsteczki wody z tlenem ¹⁶O i ¹⁸O zidentyfikowały dwie kluczowe cząsteczki wody odpowiedzialne za występowanie rozszczepienia. Na tym etapie dr Jeremy Richardson i współpracujący z nim teoretycy z Cambridge University, UK, zastosowali swoją niedawno opracowaną metodologię badania dynamiki w takich klasterach. Byli oni w stanie odtworzyć eksperymentalne rozszczepienia i zidentyfikować procesy za nie odpowiedzialne [4]. Okazało się, że jest to pierwszy znany system w którym tunelowanie związane jest ze zmianą położenia dwóch wiązań wodorowych poprzez zsynchronizowaną reorientację dwóch cząsteczek wody. Oczekiwane jest, że jest to prototypowy przykład złożonych procesów zachodzących w bardziej realistycznych układach. Podstawowe aspekty tego wyniku zostały omówione w mniej specjalistyczny sposób w artykule typu ‘perspective’ w tym samym numerze Science [5], a także przedstawione w popularyzacyjnym filmie [6].

PRACE NAUKOWE:

[1] "Structures of Cage, Prism, and Book Isomers of Water Hexamer from Broadband Rotational Spectroscopy”,
      C. Perez, M. T. Muckle, D. P. Zaleski, N. A. Seifert, B. Temelso, G. C. Shields, Z. Kisiel, B. H. Pate,
      Science 336, 897 (2012).

[2] "Broadband Fourier transform rotational spectroscopy for structure determination: The water heptamer”,
      C. Perez, S. Lobsiger, N. A. Seifert, D. P. Zaleski, B. Temelso, G. C. Shields, Z. Kisiel, B. H. Pate,
      Chem. Phys. Lett. 571, 1 (2013).

[3] "Hydrogen Bond Cooperativity and the Three‐Dimensional Structures of Water Nonamers and Decamers”,
      C. Perez, D. P. Zaleski, N. A. Seifert, B. Temelso, G. C. Shields, Z. Kisiel, B. H. Pate,
      Angew. Chem. Int. Ed. 53, 14368 (2014).

[4] "Concerted hydrogen-bond breaking by quantum tunneling in the water hexamer prism”,
      J. O. Richardson, C. Perez, S. Lobsiger, A. A. Reid, B. Temelso, G. C. Shields, Z. Kisiel, D. J. Wales, B. H. Pate, S. C. Althorpe,
      Science 351, 1310 (2016).

[5] "Quantum dynamics in the smallest water droplet”,
      D.C.Clary,
      Science 351, 1267 (2016).

[6] "Quantum tunneling in the smallest water droplet”,
      https://www.youtube.com/watch?v=PKPB6pasxGU.

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

       prof. dr hab. Zbigniew Kisiel

       Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk

       tel. tel. +48 22 116 33 32

       email: kisiel@ifpan.edu.pl

MATERIAŁY GRAFICZNE:

IFPAN160323_fot01.jpg