Рентгеновские лучи показали, что вода может вести себя как жидкий кристалл

Ученые из Стокгольмского университета обнаружили, что вода может демонстрировать поведение, подобное поведению жидкого кристалла при освещении лазерным светом.

Этот эффект возникает из-за выравнивания молекул воды, которые демонстрируют смесь молекул с низкой и высокой плотностью, более или менее склонных к выравниванию.

Результаты, представленные в Physics Review Letters , основаны на комбинации экспериментальных исследований с использованием рентгеновских лазеров и молекулярного моделирования.

Жидкие кристаллы считались просто научной фантазией, когда они были впервые обнаружены в 1888 году. Спустя более 100 лет они стали одной из наиболее широко используемых технологий, присутствующих в цифровых дисплеях (ЖК-дисплеях) часов, телевизорах и экранах компьютеров.

Жидкие кристаллы работают, применяя электрическое поле , которое заставляет соседние молекулы жидкости выстраиваться, напоминая кристалл. Вода также может искажаться в сторону жидкого кристалла при освещении лазерным светом.

Известно, что электрическое поле лазера может выстраивать молекулы воды менее чем за миллиардную долю секунды. Может ли это открытие найти технологическое применение в будущем?

Международная группа исследователей на физическом факультете Стокгольмского университета провела эксперименты на японском рентгеновском лазере на свободных электронах SACLA и впервые исследовала динамику кратковременно ориентированных молекул с помощью рентгеновских импульсов.

Этот метод основан на выравнивании молекул с помощью лазерного импульса (с длиной волны λ = 800 нм) и зондировании совмещения с помощью импульсов рентгеновского излучения, что позволяет видеть в реальном времени изменения в структуре на молекулярном уровне. Изменяя время между лазерным и рентгеновским импульсами, исследователи смогли разрешить выровненное состояние, которое живет всего 160 фс.

«Известно, что молекулы воды выровнены из-за поляризации лазерного импульса », — объясняет Кён Хван Ким, бывший исследователь Стокгольмского университета и в настоящее время доцент Университета POSTECH в Корее, «это уникальная возможность, однако, возможность использовать рентгеновские лазеры, чтобы видеть выравнивание молекул в реальном времени ».

Рентгеновские лучи идеально подходят для исследования молекул, потому что их длина волны совпадает со шкалами молекулярных длин, — говорит доктор Александр Спах, бывший аспирант по физике в Стокгольмском университете, а в настоящее время — постдок в Стэнфордском университете. Нам действительно нравится иметь возможность использовать внедренные рентгеновские установки для исследования фундаментальных вопросов , которые могли бы в будущем технологических приложений.

Эксперименты были хорошо воспроизведены с помощью молекулярного моделирования, которое дало понимание лежащего в основе механизма выравнивания. Предполагая, что вода ведет себя как жидкость с двумя состояниями, состоящая из жидких доменов высокой и низкой плотности (ЛПВП и ЛПНП), исследователи обнаружили, что каждый домен проявляет различную тенденцию к выравниванию.

«Молекулы воды в областях ЛПНП имеют более прочную сеть водородных связей, что позволяет молекулам легче реагировать на сильное лазерное поле», — объясняет Андерс Нильссон, профессор химической физики Стокгольмского университета. «Было бы интересно измерить время жизни молекулярного выравнивания в режиме переохлаждения, когда все, как ожидается, резко замедлится».

«Способность понимать воду на молекулярном уровне, наблюдая за изменениями сети водородных связей, может сыграть важную роль в биологической активности», — говорит Фивос Перакис, доцент кафедры физики Стокгольмского университета. «Мне любопытно посмотреть, может ли наблюдаемое выравнивание привести к технологическим применениям в будущем, например, в связи с очисткой и опреснением воды».

Источник: labuda.blog

уникальные шаблоны и модули для dle