В жидкой воде нашли квазичастицы твердых тел

В жидкой воде нашли квазичастицы твердых тел

Исследователи из Университета Стоуни-Брук с помощью компьютерного моделирования показали, что вода по своим молекулярным свойствам больше похожа на лед, чем считалось ранее. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Твердые тела и жидкости отличаются друг от друга рядом свойств. Одно из этих отличий заключается в том, что в твердых телах существуют фононы. Фонон — это квант колебательного движения атомов или молекул. По аналогии с фотоном он представляет собой волну с определенной энергией, но в данном случае эта волна распространяется в твердом теле через колебания взаимосвязанных частиц. Колебания могут быть продольными или поперечными. В отличие от твердых тел молекулы жидкости не совершают коллективных колебаний, они обладают большей свободой и предпочитают вращаться или колебаться независимо одна от другой.

О колебаниях молекул может рассказать ИК-спектр, получаемый благодаря взаимодействию инфракрасного спектра с веществом. При этом может происходить эффект Рамана, когда фотоны рассеиваются с изменением своей частоты, обычно в сторону ее уменьшения. В результате получается спектр с пиками, которые возникают из-за определенных видов колебаний.

Ученым было известно, что в ИК-спектре воды присутствовали пики, которых в теории быть не должно. Чтобы объяснить их существование, физики выдвинули гипотезу, что за этот пик отвечают поперечные колебания молекул, которые распространяются в виде фонона. Для этого необходимо образование длинных цепочек молекул, соединенных водородными связями. А это делает воду на молекулярном уровне похожей на лед.

Так как было невозможно использовать микроскопию для изучения конфигураций молекул воды и водородных связей, физики создали компьютерные модели на базе кластера суперкомпьютеров. Главной задачей было сгенерировать виртуальную воду с использованием всех известных физических и химических законов, чтобы провести над ней необходимые эксперименты. Они обнаружили, что фонон, как совокупное колебание молекул, создает такое рассеивание инфракрасных фононов, которое объясняет существование пиков в ИК-спектре.

Физики считают, что открытие фононов позволит узнать больше нового о физических свойствах воды и уточнить существующие модели.

Вода состоит из трехатомных молекул, каждая из которых может образовать четыре водородные связи с другими молекулами: две приходится на кислород, и по одной — на каждый атом водорода. Водородная связь возникает между атомами кислорода и водорода. При переходе воды в твердое состояние молекулы воды упорядочиваются с образованием кристалла, и каждая из них связана с четырьмя другими молекулами.

Александр Еникеев

N+1

Похожие новости:
Физики увидели предсказанные в 1929 году безмассовые фермионы
Физики сообщили об экспериментальном открытии так называемых фермионов Германа Вейля. Их существование было теоретически предсказано немецким физиком в 1929 году, а квазичастицы ученые обнаружили в ходе экспериментов с кристаллами. Результаты своих исследований ученые опубликовали в журнале Science. Вейлевские квазичастицы ..
2015-07-18 6484 0 Научные открытия
0
Загадочному физическому явлению нашли объяснение
Физики из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC выяснили механизм работы аномального сверхпроводника титаната стронция, который способен проводить электричество без сопротивления несмотря на то, что не является металлом. Об этом сообщает издание Science Alert.Титанат стронция — это оксид, однако ..
2018-03-27 6000 0 Научные открытия
0
Физики разделили электрон на орбитон и спинон
Индивидуальные (изолированные) электроны считаются элементарными частицами, то есть их нельзя разложить на составляющие. Однако в 80-х годах прошлого века советские физики-теоретики предсказали, что электроны в одномерной цепочке атомов можно будет разложить на три квазичастицы — орбитон, спинон и холон.Холон ..
2012-04-19 3583 0 Научные открытия
2
Ученые нашли жизнь подо льдами Антарктики
Американские ученые, пробурившие скважину глубиной около 800 метров к озеру Уилланс, провели ряд дополнительных тестов и подтвердили, что вместе с водой им удалось заполучить множество микроорганизмов, живших в темноте вод антарктического озера с незапамятных времен. Первые предварительные тесты с помощью чувствительной к ДНК флуоресцентной ..
2013-02-20 2178 0 Научные открытия
0
Физики научились перемещать объекты по воде при помощи волн
Ученые из Австралии, Израиля и России научились с помощью волны перемещать объекты на поверхности воды. Результаты своего исследования авторы опубликовали в журнале Nature Physics, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Австралийского национального университета в Канберре. Специалисты с помощью волновых ..
2014-08-12 2003 0 Научные открытия
0
Сверхбыстрый лазер помог изменить свойства твердых материалов
Ученые из США, Южной Кореи и Японии использовали сверхбыстрый (фемтосекундный) лазер для оперативного отслеживания изменений собственной энергии электронов и их взаимодействий в сверхпроводнике. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Communications, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте ..
2014-10-07 1487 0 Научные открытия
0
Получен «святой Грааль физики»
Ученые из Гарвардского университета (США) впервые, по их словам, могли наблюдать фазовый переход Вигнера-Хантингтона, свидетельствующий об образовании металлического водорода. Соответствующее исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает EurekAlert!«Это святой Грааль физики высоких давлений, — сказал соавтор ..
2017-01-29 8424 0 Научные открытия
0
Экологи нашли еще одну причину разрушения озона
Ученые из университетов Йорка и Лидса недавно сделали важное открытие о причинах разрушения озонового слоя над океанами нашей планеты. Они установили, что большая часть разрушающего озоновый слой оксида йода, который наблюдается в удаленных районах океанов, поступает из ранее ..
2013-01-18 1430 0 Научные открытия
0
Физики впервые проследили за движением экситонов
Ученые Массачусетского технологического института (МТИ) и Городского университета Нью-Йорка создали технику визуализации движения экситонов. Свое исследование авторы опубликовали в журнале Nature Communications, а его краткое содержание доступно на сайте МТИ. Исследователи использовали взаимосвязь между переносом экситонов ..
2014-04-17 1516 0 Научные открытия
0
Астронавты нашли новую форму жизни в Италии
Астронавты Европейского космического агентства (ESA) обнаружили новый вид живого существа. Правда, открытие было сделано не на других планетах и не на орбите Земли, а в пещере на итальянском острове Сардиния. Поскольку живые существа встречаются в пещерах чаще, чем астронавты, стоит пояснить, что речь ..
2012-11-27 1968 0 Научные открытия
0
«Зоопарк» квазичастиц пополнился квантовыми каплями
Германо-американская группа физиков обнаружила феномен, который можно описать с помощью нового типа квазичастиц, так называемых квантовых капель или дроплетонов (dropleton). Исследование опубликовано в Nature, кратко о его значении пишет Wired. Квантовые капли обнаружились в экспериментах физиков неожиданно — существование ..
2014-02-28 1692 0 Научные открытия
0
Физики впервые обнаружили экситоны в металле
Ученые США и Сербии впервые обнаружили экситон в металле. Статья авторов опубликована в журнале Nature Physics, кратко с ней можно ознакомиться на сайте Phys.org. Специалисты в своей работе исследовали взаимодействие света и материи: электромагнитной волны, падающей на серебряный кристалл. В толще металла ..
2014-06-04 1544 0 Научные открытия
0
Физики придумали первый танцующий кристалл
Физики-теоретики из Канады и США спрогнозировали существование кристалла, элементы которого находятся в непрерывном движении. Последнее обусловливает их свойства симметрии, получившие название хореографического порядка. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, а кратко о них сообщает Physics.Обычные ..
2016-01-12 1578 0 Научные открытия
1
Японские физики-ядерщики нашли магическое число
Японские ученые утверждают, что нашли новое так званое «магическое число» — ключ к определению, когда ядро атома становиться стабильным. В ядерной физике магические числа — ряд натуральных чётных чисел, соответствующих количеству нуклонов в атомном ядре, при котором ..
2013-10-16 2999 3 Научные открытия
2
В гигантских алмазах нашли следы жидкого металла из мантии Земли
Международная группа геохимиков провела анализ состава редких гигантских алмазов и выяснила, что они образовались в жидкой металлической фазе глубоких слоев мантии Земли. Описание исследования опубликовано в журнале Science.Мантия — часть Земли, которая расположена непосредственно под корой над ядром ..
2016-12-21 4389 0 Научные открытия
0