Материалы портала «Научная Россия»

Нижегородские физики нашли двойные молекулы в теплом водяном паре

Еще в середине прошлого века теоретики предсказали, что при соударениях молекулы могут слипаться и образовывать двойные молекулы или диме

Вода является одной из главных атмосферных молекул. Составляя всего около 0.33%  массы атмосферы, вода отвечает примерно за 70%  поглощаемого атмосферой излучения. Величина поглощения сильно зависит от того, как общее количество воды распределено по своим многочисленным формам (отдельные молекулы, кластеры, капли, снежинки).

Еще в середине прошлого века теоретики предсказали, что при соударениях молекулы могут слипаться и образовывать двойные молекулы или димеры. Оценки их количества в атмосфере позволяли предположить, что димеры, принимая участие в физических и химических атмосферных процессах, могут оказывать заметное влияние на радиационный баланс и климат Земли.

Димеры воды были хорошо изучены с помощью молекулярных пучков, где температура составляет всего несколько градусов Кельвина. Но эти эксперименты не могли ответить на вопрос, сколько димеров может образовываться в окружающей среде, а многочисленные попытки их обнаружения в атмосфере или в лаборатории при атмосферных температурах либо не давали надежного результата, либо впоследствии опровергались. Поэтому и сам факт существования димеров в атмосфере, и их роль в естественных процессах оставались предметом дискуссий.

М. Третьяков, к.ф-м.н, заведующий отделом микроволновой спектроскопии ИПФ РАН

Одной из главных проблем обнаружения является то, что в естественных условиях димеров и не может быть много. Даже если предположить, что все отличие реального водяного пара от идеального газа состоит в образовании димеров, то на каждую 1000 сталкивающихся между собой молекул воды при комнатной температуре образуется лишь один димер.

Анализ предшествующих попыток поиска димеров по их спектрам привел нижегородцев к выводу, что избежать ошибочного обнаружения можно только в том случае, если в эксперименте наблюдается не одиночная спектральная особенность, а характерная для димера серия дискретных пиков. Наиболее подходящим кандидатом на роль такой серии оказался вращательный спектр димера. И теоретические работы, и численные расчеты  подтверждали, что, несмотря на огромное количество перекрывающихся между собой линий, спектр должен иметь типичный квазипериодический вид, как у двойной молекулы, вращающейся с разной угловой скоростью относительно оси с максимальным моментом инерции. Расчеты также показывали, что даже в наиболее оптимальных условиях димерные пики будут заметно превышать аппаратурный шум только в том случае, если использовать спектрометр с очень высокой чувствительностью.

Для наблюдения спектра в ИПФ РАН собран прибор, имеющий рекордную среди известных аналогов чувствительность и широкодиапазонность, что подтверждалось экспериментами по наблюдению известных линий других атмосферных газов.  

Запись спектра водяного пара при комнатной температуре, сделанная с помощью этого прибора, выявила периодическую последовательность пиков. Последовательность полностью воспроизводилась в многократных повторных экспериментах с водяным паром и не наблюдалась, если в тех же условиях вместо водяного пара в прибор запускался азот или аргон. Контраст пиков оказался меньше, чем предсказывали расчеты. Это объясняется тем, что не все особенности димера были учтены при теоретическом моделировании его спектра, и объясняет то, почему их не обнаружили ранее. Положения наблюдаемых пиков в точности соответствуют данным, полученным о спектре димера из низкотемпературных экспериментов. Это совпадение, как совпадение отпечатков пальцев позволяет утверждать, что этот спектр принадлежит димеру воды. Анализ интенсивности наблюдаемого спектра позволил оценить количество димеров в исследуемом газе. Оказалось, что, как и предсказывали численные квантово-химические расчеты, отличие реального водяного пара от идеального газа при комнатной температуре и ниже объясняется образованием димеров.

Вода благодаря своим уникальным свойствам играет одну из самых ключевых ролей  в истории развития нашей цивилизации. Для полного научного описания на молекулярном уровне свойств воды в жидкой и твердой фазе первостепенное значение имеют характеристики парного взаимодействия, связывающего две молекулы воды в димер. Поэтому наблюдение его спектра при комнатной температуре открывает возможность исследовать не только роль димера в естественных процессах, но и продвигаться в понимании особенностей воды.

Авторский коллектив: М.Ю. Третьяков (к.ф-м.н., с.н.с., зав. Отделом микроволновой спектроскопии), Е.А. Серов (мл. научный сотрудник), М. А. Кошелев (к.ф-м.н., ст. научный сотрудник), В.В. Паршин (ст. научный сотрудник), А.Ф. Крупнов (профессор, д.ф-м.н., гл. научный сотрудник).

двойные молекулы димеры ипф ран третьяков

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий