این تحقیق می تواند به حل برخی از بحث های پیرامون تفسیر ساختار آب مایع کمک کند
آب یک ترکیب فراوان و ضروری است که در همه جای زمین یافت می شود. با این حال، آب با وجود آشنایی و ساختار ساده اش، بسیاری از خواص فیزیکی غیرعادی را نشان می دهد. بیش از یک قرن است که دانشمندان توجه خود را به مطالعه آب معطوف کرده اند و سعی می کنند ساختار آن را بهتر تفسیر کنند. یک تیم بین المللی از محققان، به رهبری محققی از دانشگاه هیروشیما، روشی را توسعه داده اند که به آنها امکان می دهد ویژگی اوج دوگانه طیف سنجی گسیل اشعه ایکس (XES) را در آب مایع بازتولید کنند.
مطالعه ای که به پیشرفت درک ساختار آب کمک می کند، به رهبری اسامو تاکاهاشی، دانشیار دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم و مهندسی پیشرفته دانشگاه هیروشیما، در Physical Review Letters منتشر شد.
در طول سال‌ها، زمانی که دانشمندان برای درک بهتر ساختار آب مایع کار کرده‌اند، برخی آب را با استفاده از مدل دو ساختاری مورد مطالعه قرار داده‌اند. دانشمندان دیگر، در طیف وسیعی از زمینه ها، از یک مدل مایع یکنواخت و پیوسته استفاده کرده اند. XES ثابت کرده است که ابزار مفیدی برای محققانی است که موادی را مطالعه می کنند که ویژگی های آنها همگن نیست.
بیش از یک دهه است که دانشمندان درباره چگونگی تفسیر طیف XES آب مایع بحث کرده اند. برای حل این مشکل، تیم تحقیقاتی محاسبات دینامیک مولکولی را برای ایجاد ساختارهای مدل آب مایع انجام دادند. قدم بعدی آنها تخمین طیف XES برای آب مایع با استفاده از اصول اولیه محاسبات مکانیک کوانتومی بود.
این تیم توانست به صورت تئوری ویژگی دوگانه 1b 1 را که در طیف سنجی گسیل اشعه ایکس آب مایع وجود دارد، بازتولید کند. آنها برای تعیین شکل طیف XES به بررسی اثرات مختلف، مانند هندسه و دینامیک پرداختند.
تیم با اتخاذ شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی کلاسیک، توانست ساختار آب را در فاز مایع بسازد. در این شبیه‌سازی‌ها، محققان در نقاط مختلف دمایی با ثابت بودن طول پیوند و زوایای مولکول آب کار کردند. در طیف هایی که محاسبه کردند، محققان توانستند ویژگی هایی مانند قله های دوگانه حالت 1b 1 را که قبلاً توسط دانشمندان دیگر در طیف های آزمایشی XES مشاهده شده بود، بازتولید کنند.
برای درک بهتر ویژگی هایی که می دیدند، تیم تحقیقاتی طیف XES را که بر اساس انواع مختلف پیوندهای هیدروژنی محاسبه کردند، طبقه بندی کردند. آنها ویژگی اوج دوگانه را در طیف XES در تمام انواع مختلف پیوندهای هیدروژنی مورد مطالعه مشاهده کردند.
پس از بررسی طیف‌های مربوط به پیوندهای هیدروژنی، این تیم تأثیر حالت‌های ارتعاشی برانگیخته حرارتی را بر روی طیف‌های XES مطالعه کردند. آنها 9 حالت ارتعاشی مستقل را به دست آوردند و اثرات آنها را بر روی طیف ها بررسی کردند.
محققان توانستند با بررسی اثر حالت‌های ارتعاشی کامل، کشش OH، خمش و حالت‌های چرخشی، طیف XES آب مایع را با موفقیت بازتولید کنند. آنها هم وابستگی دما و هم ایزوتوپ را با بررسی پیکربندی پیوند هیدروژنی در اطراف مولکول آب برانگیخته و دینامیک ناشی از سوراخ هسته توضیح دادند. تاکاهاشی گفت: روش ما عمومی است و می تواند برای سیستم های مختلف مرتبط با پدیده ها از جمله آب مایع قابل اجرا باشد.
این تیم امیدوار است که تحقیقات آنها ممکن است به حل برخی از بحث های طولانی مدت پیرامون تفسیر ساختار آب مایع کمک کند. با نگاه به آینده، محققان کاربردهای بالقوه مختلفی را برای روش خود مشاهده می کنند. تاکاهاشی گفت: «توسعه مواد جدید مانند الکترودهای مورد استفاده در باتری‌ها، مواد زیستی مانند رگ‌های خونی مصنوعی و پلیمرهای کاربردی مانند غشاهای تصفیه آب ممکن است پروژه‌های جذابی باشند که به ساختار آب مایع مربوط می‌شوند.»
– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت دانشگاه هیروشیما منتشر شد