Các nhà khoa học khám phá cấu trúc 3-D trong giọt nước nhỏ hơn

Bình luận Ánh Dương • 13:53, 25/06/20

Các nguyên tử oxy trong nước có cấu trúc hexamer (6 nhánh) từ lâu đã được coi là giọt nước nhỏ nhất với mạng lưới liên kết hydro 3D. Bằng phương pháp mới, các nhà khoa học phát hiện rằng cấu trúc 3D không tuần hoàn của nước bắt đầu tồn tại với cấu trúc pentamer (5 nhánh) ở nhiệt độ hữu hạn thấp.

Nước và các tương tác của nó với các chất khác rất cần thiết cho cuộc sống của con người. Tuy nhiên, hiểu được cấu trúc của nước lỏng và mạng lưới liên kết hydro của nó là một thách thức. Theo các nghiên cứu trước đây, tất cả các nguyên tử oxy trong nước có cấu trúc trimers, tetramers và pentamers (3, 4 và 5 nhánh) có cấu trúc năng lượng tối thiểu theo chu kỳ tồn tại trong mặt phẳng hai chiều (2D). Ngược lại, nước có cấu trúc hexamers (6 nhánh) lại có cấu trúc ba chiều không tuần hoàn (3D).

các nguyên tử oxy trong nước có cấu trúc pentamer (5 phân nhánh).
Minh họa các nguyên tử oxy trong nước có cấu trúc pentamer (5 nhánh). (Hình minh họa: medlatec)

Do đó, hexamer nước từ lâu đã được coi là giọt nước nhỏ nhất với mạng lưới liên kết hydro 3D. Các nhà khoa học Trung Quốc đã làm thay đổi sự hiểu biết này. Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư JIANG Ling và Giáo sư YANG Xueming từ Viện Vật lý hóa học Đại Liên (DICP) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, hợp tác với Giáo sư Li Jun từ Đại học Tsinghua, đã cho biết rằng cấu trúc 3D không tuần hoàn của cụm nước bắt đầu tồn tại với pentamer ở nhiệt độ hữu hạn thấp.

hydro 3D trong pentamer ở nhiệt độ hữu hạn, cho thấy các cụm nước thể hiện cấu trúc 3D không tuần hoàn bắt đầu bằng pentamer, không phải hexamers
Kết quả cho thấy sự thay đổi quang phổ nổi bật ở vùng rung động kéo dài OH có thể được cho là do sự xuất hiện của các mạng liên kết hydro 3D trong pentamer ở nhiệt độ hữu hạn, cho thấy các cụm nước thể hiện cấu trúc 3D không tuần hoàn bắt đầu bằng pentamer, không phải hexamers, như đã nghĩ trước đây. (Ảnh: pixabay)

Nghiên cứu được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (PNAS). Giáo sư JIANG và YANG đã phát triển một phương pháp quang phổ hồng ngoại của các cụm trung tính dựa trên một tia laser điện tử tự do cực tím chân không có thể điều chỉnh (VUV-FEL). Các nhà khoa học đã khai thác các thiết bị lai được phát triển gần đây tích hợp quang phổ hồng ngoại với laser điện tử cực tím chân không có thể điều chỉnh để nắm bắt sự tiến hóa cấu trúc của các cụm nước.

Phương pháp này tạo ra một mô hình mới cho nghiên cứu về phổ rung động của một loạt các cụm trung tính không thể nghiên cứu trước đây. Họ đã đo quang phổ hồng ngoại (IR) của các cụm nước trung tính được chọn theo kích thước bằng cách sử dụng sơ đồ IR dựa trên VUV-FEL. Các nguyên tắc rung động kéo dài OH khác biệt được quan sát thấy ở vùng 3.500-3.600 cm-1 của (H2O)5 cung cấp các dấu hiệu quang phổ duy nhất cho thấy sự hình thành của một pentamer không tuần hoàn.

Đội ngũ các nhà khoa học của giáo sư Li đã thực hiện các nghiên cứu hóa học lượng tử để tìm hiểu sự thay đổi cấu trúc và quang phổ trong các cụm này. Một mô hình hai electron ba tâm (3c2e) đã được đề xuất để mô tả bản chất liên kết của mạng lưới liên kết hydro của các cụm nước. Kết quả cho thấy sự thay đổi quang phổ nổi bật ở vùng kéo dài OH có thể được cho là do sự xuất hiện của các mạng liên kết hydro 3D trong pentamer ở nhiệt độ hữu hạn, cho thấy các cụm nước thể hiện cấu trúc 3D không tuần hoàn bắt đầu bằng pentamers, không phải hexamers, như các nhà khoa học đã nghĩ trước đây.

Các phát hiện của các nhà khoa học cung cấp một bức tranh nhất quán về sự đa dạng cấu trúc của các mạng liên kết hydro chịu trách nhiệm cho các tính năng và tính chất cấu trúc chính của nước trong pha ngưng tụ.

Ánh Dương

Theo Visiontimes

Khoa học Công nghệ