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:
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 1692 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 1763 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 3255 3 Научные открытия
2
Ученые создали эффективные солнечные батареи
Ученые из Государственного университета Северной Каролины и Китайской академии наук нашли простой способ изменить молекулярную структуру полимера обычно используемую в солнечных элементах. Такое несложное изменение может повысить эффективность солнечных батарей более чем на 30 процентов. Полимер на основе ..
2014-01-06 2459 1 Научные открытия
3
Состоялось предсказанное обнаружение в космосе изомера органической молекулы
Немецкие и американские ученые нашли к космосе следы изомеров органической молекулы. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Science. Астрономы обнаружили в газопылевом облаке Стрелец B2 органические вещества: структурные изомеры пропилцианида. Вещество, называемое также бутиронитрил, или нитрил ..
2014-09-27 1779 0 Научные открытия
-1
Генетики нашли источник трех процентов интеллекта
Группа ученых из США обнаружила версию гена KL, которая связана со значительным повышением уровня интеллекта у человека. Свое исследование авторы опубликовали в журнале Cell Reports, кратко с ним можно ознакомиться на сайте The Economist. Генетики исследовали версию гена KL с названием KL-VS и нашли, ..
2014-05-20 2080 0 Научные открытия
0
Неизвестный минерал найден в обломках метеорита
Геологи из Калифорнийского технологического университета (CalTech) обнаружили в образцах знаменитого метеорита Альенде абсолютно новый материал, который является одним из древнейших в Солнечной системе.Метеорит Альенде взорвался над мексиканским штатом Чиуауа в 1969 году. То, что от него осталось и долетело до поверхности ..
2012-06-28 2186 0 Научные открытия
0
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 2341 0 Научные открытия
0
Ученые из России нашли причины появления молний
Известные Российские ученые Анатолий Карашин и Александр Гуревич нашли абсолютно новое экспериментальное подтверждение   причины появления молний в космических лучах. Дело в том, что само появления космических лучей вызывает появление молнии, ведь космические лучи – ..
2013-05-8 2437 0 Научные открытия
0
Физики нашли альтернативу алмазным радиаторам
Физики нашли материал, который проводит тепло не хуже алмазов и вчетверо превосходит по теплопроводности медь. Результаты моделирования показали, что арсенид бора может заменить алмазы при производстве радиаторов для микроэлектронных устройств. Подробности приводятся в сообщении колледжа Бостона со ссылкой ..
2013-07-9 1796 0 Научные открытия
0
Ученые нашли определяющий будущее половой клетки ген
Японские ученые впервые обнаружили у позвоночных животных генетический переключатель, который управляет превращением гоноцитов (первичных половых клеток) в сперматозоид или яйцеклетку. Называется этот ген foxl3, а нашли его в рыбе — японской медаке (Oryzias latipes). Результаты исследования представлены в журнале ..
2015-06-16 6605 0 Научные открытия
0
Ученые нашли способ заставить иммунную систему самостоятельно бороться с раком
Ученые из Университетского колледжа Лондона заявили, что они нашли способ заставить иммунную систему бороться с раком. Исследователи обнаружили уникальные биологические маркеры в опухоли, которые назвали «ахиллесовой пятой» болезни. Статья об открытии была опубликована в журнале Science, а коротко ..
2016-03-05 2873 0 Научные открытия
2
Физики нашли бозон Хиггса
Физики установили факт существования бозона Хиггса - недостающего элемента в цепочке объяснения мироздания, сообщает РИА Новости. По данным агентства, в блогах ученых об этом говорится как о свершившемся факте, участник исследований, сотрудник НИИ ядерной физики МГУ Эдуард Боос сказал, что после ..
2012-06-19 3243 2 Научные открытия
1
Студенты нашли гриб, уничтожающий пластик
Полиуретан долгие годы считался не перерабатываемым материалом. Однако не так давно студенты Йеля в ходе экспедиции в Амазонию обнаружили гриб, который поедает этот пластик. Что особенно важно, он превращает его в углерод даже в отсутствие кислорода. Молодые учёные нашли гриб в тропических ..
2012-02-8 1797 0 Научные открытия
0
Ученые нашли первую в мире светящуюся в темноте рептилию
В Тихом океане около Соломоновых островов зоологи нашли единственную в мире светящуюся зеленым и красным цветом рептилию — ею оказалась находящаяся на грани вымирания морская черепаха бисса. Об открытии сообщает National Geographic. Этот вид был известен науке ранее, однако биологи ..
2015-09-30 1842 0 Научные открытия
-2