Физики впервые смогли разделить воду на две разных жидкости
«Мы показали, что реакции с участием пара-воды идут на 25% быстрее, чем с орто-водой, что связано с тем, как спин ядра атомов водорода влияет на вращение всей молекулы. Это очень важно, так как без полного контроля и понимания того, как ведут себя молекулы во время реакций, мы не сможем раскрыть механизмы, управляющие их ходом», — заявил Штефан Виллич (Stefan Willitsch) из университета Базеля (Швейцария).
Пространственная структура и некоторые физические свойства молекул воды зависят от спина атомов водорода. Если спин у обоих атомов одинаковый, то такая молекула называется пара-водой, если они противоположны — орто-водой. Точные различия между ними пока неизвестны, однако в 2002 году российские физики показали, что орто-вода хуже конденсируется, чем пара-вода.
Законы квантовой механики запрещают «прямое» превращение одной формы воды в другую, благодаря чему в любом стакане с жидкостью должны одновременно присутствовать обособленные группы и пара-, и орто-воды. Тем не менее, первые же опыты показали, что разделить их было невозможно, так как некоторые взаимодействия между молекулами воды, характер которых пока не ясен, иногда заставляют их менять спин атомов водорода.
Виллич и его коллеги впервые смогли решить эту «невозможную» задачу, охладив воду до температуры, близкой к абсолютному нулю, и заставив молекулы пара- и орто-воды самостоятельно разделиться на два лагеря, не соприкасающихся друг с другом.
Этого им удалось добиться, превратив воду в своеобразный «пар», чрезвычайно разреженную смесь молекул воды и атомов аргона, не застывавшую даже при сверхнизких температурах. Когда ученые подготовили достаточное количество этой субстанции, они пропустили ее через мощный генератор электростатических полей. Она разделилась на два узких потока молекул, один из которых содержал в себе только пара-воду, а второй — только орто-воду.
Эти потоки «врезались» в облачко другого газа, состоявшего из ионов кальция и диазенилия, непрочного соединения двух атомов азота и одного атома водорода. Диазенилий активно взаимодействует с водой даже при сверхнизких температурах, отдавая ей «лишний» водород, благодаря чему он стал одним из первых «межзвездных» химических соединений, открытых астрономами в космосе в последние 50 лет.
Обстреливая это облако и потоки воды лучами ультрафиолета, ученые смогли проследить за тем, как обе формы влаги взаимодействуют с диазенилием и раскрыть несколько интересных свойств пара- и орто-воды. К примеру, выяснилось, что пара-вода заметно быстрее и активнее вступала в реакции с молекулами N2H, что говорит о существенных различиях в их поведении и в других химических взаимодействиях.
Дальнейшие эксперименты с «чистыми» версиями воды, как надеются ученые, помогут раскрыть и другие различия между ними, и понять, почему пропорции пара- и орто-воды на Земле отличаются от тех значений, которые были вычислены для других звездных систем. Все это, в свою очередь, может оказаться критически важным для раскрытия истории формирования планеты и зарождения жизни на ее поверхности.
