Вода окружает нас повсюду, но её поверхностный слой — место химических реакций, которые формируют жизнь на Земле — удивительно трудно изучать. Эксперименты на рентгеновском лазере в SLAC позволяют лучше понять эту область.
Две трети поверхности Земли покрыто водой, большая часть — в океанах, настолько глубоких и обширных, что исследована лишь пятая часть их общего объёма. Удивительно, но наиболее доступная часть этого водного мира — поверхность воды, обнажённая на вершинах волн, в каплях дождя и в прудах, полных стремительно бегающих водомерок, — одна из самых сложных для изучения.
Всего несколько слоёв атомов толщиной, поверхность играет важную роль в химии, которая делает наш мир таким, какой он есть — от образования облаков и круговорота воды через осадки до поглощения океанами углекислого газа из атмосферы.
«Граница между воздухом и водой — это место, где происходит всё действие, но её изучение традиционно сложно», — сказал Джейк Коралек, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. «Когда мы пытаемся измерить её свойства, наши измерения определяются миллиардами атомов, составляющих основную массу воды. Это верно даже для самых маленьких капель воды».
Теперь исследовательская группа под руководством учёных из SLAC разработала способ преодолеть это препятствие и собрать чёткие рентгеновские данные только с поверхности, используя передовые методы, доступные на рентгеновском лазере SLAC — источнике когерентного излучения в линейном ускорителе (LCLS).
«Мы смогли непосредственно наблюдать ключевые детали того, как молекулы воды на поверхности взаимодействуют иначе, чем молекулы в остальной части воды, подтвердив давние предположения», — сказал Коралек, который руководил исследованием вместе с учёным LCLS Дэвидом Дж. Хоффманом. «Это имеет решающее значение для понимания химии в водных системах, включая жизнь на Земле».
Исследовательская группа, в которую входили учёные из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США, Калифорнийского университета в Беркли (Berkeley Lab), Калифорнийского университета в Сан-Диего и Университета Невады в Лас-Вегасе, опубликовала последнюю статью в серии работ, описывающих эту работу в журнале Nature Communications.
Уникальность воды
Вода уникальна среди жидкостей по многим параметрам. Её поверхностное натяжение — одно из самых сильных среди известных нам жидкостей — настолько сильное, что некоторые насекомые могут буквально ходить по воде, а лезвие бритвы, осторожно помещённое на поверхность, может оставаться там, не погружаясь.
В целом поверхностное натяжение развивается на границе, где жидкость встречается с воздухом. Молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам в воздухе. Они стремятся друг к другу, образуя тонкий слой, который действует как эластичная кожа и сопротивляется разрыву.
Молекулы воды не только притягиваются друг к другу. Каждая молекула образует четыре слабые, эфемерные связи с соседями: атомы водорода одной молекулы соединяются с атомами кислорода других. В основной массе воды эти связи простираются во всех направлениях, создавая рыхлую сеть молекул, которая постоянно разрушается и формируется заново.
На самой поверхности молекулы воды могут образовывать связи только с соседями под ними, а не с воздухом над ними. Они оставляют часть своих атомов водорода направленными в воздух. Это было подтверждено более ранними измерениями.
Но делали ли лишённые связей атомы кислорода на поверхности то же самое? Это казалось логичным, но до сих пор никто не наблюдал этого напрямую.
«Поверхность воды изучалась с помощью широкого спектра экспериментальных методов, — сказал Хоффман. — Но всё ещё остаются существенные нерешённые вопросы о электронной и молекулярной структурах поверхности и о том, как они связаны с важными макроскопическими явлениями, такими как круговорот озона в атмосфере, передача заряда в батареях и механика работы мыла».
Эти последние эксперименты были выполнены с помощью прибора chemRIXS в LCLS, который оптимизирован для передовых экспериментов в области химии. Три недавних достижения стали ключевыми для их проведения.
Одно из них — метод, разработанный в 2018 году Коралеком и учёным LCLS Даниэлем Де Понте, который переносит образцы на путь лазера LCLS в виде свободнотекущих листов воды, а не в виде цилиндрических струй. Листы толщиной менее 1 микрометра — около 40 миллионных долей дюйма — настолько тонкие, что они переливаются, как мыльные пузыри. Эта крайняя тонкость позволяет исследователям изучать то, что они раньше не могли увидеть.
Второе — недавние усовершенствования LCLS позволили исследователям воздействовать на свои водяные листы лучом рентгеновского лазера, который доставлял ультракороткие импульсы — длительностью менее одной миллионной доли одной миллиардной доли секунды, каждый с более чем триллионом ватт мощности в пике, поступающими со скоростью 120 раз в секунду.
Только луч такой экстремальной интенсивности, как в рентгеновском лазере типа LCLS, мог запустить третий ключевой компонент эксперимента: нелинейный процесс, называемый генерацией второй гармоники, где два фотона входящего света объединяются, чтобы создать один фотон исходящего света с удвоенной энергией. Это происходит только в поверхностном слое воды, поэтому его можно использовать для чёткого разграничения того, что происходит в поверхностном слое, и того, что происходит в основной массе.
В дополнение лазерный луч был настроен на длину волны света в мягкой, или низкоэнергетической, части рентгеновского спектра, которая чувствительна к кислороду в воде. Затем луч можно использовать для отслеживания участия кислорода в сети водородных связей, которая делает воду такой уникальной субстанцией. В этом случае было подтверждено, что атомы кислорода на поверхности также выступают в воздух, не имея возможности принять желаемое количество водородных связей.
«Этот экспериментальный результат, не имеющий аналогов в своём роде, наряду с передовыми теоретическими расчётами, окажет непосредственное влияние на наше понимание воды и жидкостей в целом», — сказал Коралек. «Он прокладывает путь для широкого спектра исследований критических водных систем, которые будут представлять большой интерес для научного сообщества».
latest in a series of papers describing this work in Nature Communications.»,»Water is unique among liquids in many ways. Its surface tension is one of the strongest of any liquid we know—so strong that some insects can literally walk on water, and a razor blade carefully placed on the surface can rest there without sinking.»,»In general, surface tension develops at the boundary where liquid meets air. The molecules of liquid are attracted to each other more than they are attracted to molecules in the air. They gravitate toward each other, forming a thin layer that acts like an elastic skin and resists breaking.»,»Water molecules, though, don’t just find each other attractive. Each molecule forms four weak, ephemeral bonds with its neighbors, with the hydrogen atoms of one connecting to oxygen atoms of others. In the bulk of the water, these bonds extend in every direction, creating a loose network of molecules that’s constantly breaking and re-forming.»,»At the very surface, water molecules can only form bonds with the neighbors below them, not with the air above. They are left pointing some of their hydrogen atoms out into the air. This much had been confirmed by earlier measurements.»,»But, were bond-deprived oxygen atoms at the surface doing the same thing? This seemed to make sense, but until now, no one had directly observed it.»,»\»The surface of water has been studied with a wide range of experimental techniques,\» Hoffman said. \»But, there are still substantial open questions about the surface’s electronic and molecular structures and how they connect to important macroscopic phenomena, such as how ozone cycles in the atmosphere, how charge is transferred in batteries and the mechanics of how soaps work.\»»,»These latest experiments were performed with LCLS’s chemRIXS instrument, which is optimized for cutting-edge experiments in chemistry. Three recent advances were key to making them possible.»,»One is a method, developed in 2018 by Koralek and LCLS scientist Daniel DePonte, that carries samples into the path of the LCLS laser in free-flowing sheets of water rather than in cylindrical jets. The sheets are less than 1 micrometer—about 40 millionths of an inch—thick, so thin that they shimmer like soap bubbles. This extreme thinness allows researchers to investigate things they could never see before. The researchers said at the time that they would like to use the thin sheets to look at the nature of water itself, and that’s what they have done here.»,»Second, recent upgrades to LCLS allowed researchers to hit their water sheets with an X-ray laser beam that delivered ultrashort pulses—less than a millionth of a billionth of a second in duration—each with more than a terawatt (one trillion watts) of power at its peak, arriving at 120 times per second.»,»Only a beam of the extreme intensity found in an X-ray laser like LCLS could trigger the third crucial component of the experiment: a nonlinear process called second harmonic generation, where two photons of incoming light combine to create one photon of outgoing light with twice the energy. This happens only in the surface layer of water, so it can be used to clearly distinguish what’s happening in the surface layer from what’s happening in the bulk.»,»In addition, the laser beam was tuned to a wavelength of light in the soft, or lower energy, part of the X-ray spectrum, which is sensitive to the oxygen in water. Then the beam can be used to trace oxygen’s involvement in the hydrogen bonding network that makes water such a unique substance. In this case, it confirmed that oxygen atoms at the surface were also sticking out into the air, unable to accept their desired quota of hydrogen bonds.»,»\»This first-of-its-kind experimental result, along with cutting-edge theoretical calculations, will have an immediate influence on our understanding of water and of liquids in general,\» Koralek said. \»It paves the way for a broad range of studies on critical aqueous systems that will be of broad interest to the scientific community.\»»,»The team has also been exploring the interface of water with other liquids, adapting their original setup to create incredibly thin, stacked layers of liquid sheets that continually flow into the path of a tabletop laser beam. In 2022, they described experiments where tiny jets of oil and water splashed into each other, forming a thin sheet that allowed the team to study the interface between the two liquids.»,»And last August, they published a paper comparing the behavior of salts at the water/air and water/oil boundaries, based on experiments led by Shane W. Devlin, a postdoctoral researcher at Berkeley Lab.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tSLAC National Accelerator Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник