Технология рассеивания нейтронов и компьютерное моделирование продемонстрировали ученым неожиданное и уникальное поведение молекул воды при некоторых чрезвычайных условиях, которое не соответствует ни одному из известных состояний этого вещества, твердому, жидкому или газообразному. Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) описали это термином туннельное состояние молекул воды. В такое состояние молекулы воды переходят, когда они находятся в шестигранных каналах, пролегающих внутри кристалла берилла, диаметр которых равен 5 ангстремам, Ангстрем — это десятая часть от миллиардной части метра, 1 ангстрем — это диаметр атомов некоторых химических элементов.
Данное открытие было сделано при помощи источника нейтронов Spallation Neutron Source, находящегося в распоряжении ученых ORNL. А результаты данного открытия прольют свет на некоторые загадки поведения воды в почве, горных породах в порах молекулярных мембран и т.п. Кроме этого, результаты окажут влияние на некоторые другие дисциплины и области науки.
«При низких температурах вода, находящаяся в туннельном состоянии, демонстрирует квантовое движение через потенциальные «стены», которое запрещено в обычном физическом мире» — рассказывает Александр Колесников, ведущий исследователь, — «Это означает, что атомы водорода и кислорода молекулы «делокализованы», они находятся сразу во всех шести симметричных возможных положениях одновременно. Это — одно из тех явлений, которые происходят только в призрачном квантовом мире и не имеют аналогов в мире обычной физики».
Во время предыдущих исследований ученые обнаружили туннельное состояние атомов водорода, но тот факт, что и более сложные молекулы воды также могут находиться в таком состоянии, беспрецедентен сам по себе. Технология рассеивания нейтронов показала, что атомы молекулы воды «делокализуются» вокруг некоего условного кольца и, таким образом, молекула воды принимает весьма необычную многогранную форму.
«Эксперименты показали, что средняя кинетическая энергия атомов водорода молекулы воды, находящейся в туннельном состоянии при температуре, близкой к температуре абсолютного нуля, приблизительно на 30 процентов меньше, чем энергия атомов водорода воды в обычном жидком или твердом состоянии» — рассказывает Александр Колесников, — «И этот факт полностью противоречит всем существующим моделями и теориями».
И в заключение следует отметить, что для того, чтобы молекулы воды перешли в туннельное состояние, совсем недостаточно «загнать» их в любую узкую полость. Как показали компьютерные расчеты, что «катализатором» перехода молекул воды в туннельное состояние являются вибрационные колебания структуры кристалла берилла, которые имеют весьма своеобразную динамику.
