Polsko-amerykański zespół fizyków i chemików odkrył kompleksy cząsteczek wody o rekordowych rozmiarach. Agregaty składają się z sześciu, siedmiu i dziewięciu cząsteczek. W przypadku heksamerów udało się precyzyjnie wyznaczyć ich trzy podstawowe konfiguracje przestrzenne. W pracach uczestniczył Instytut Fizyki PAN w Warszawie.
Woda jest substancją powszechną we Wszechświecie. Unikatowe własności jej cząsteczek mają kluczowe znaczenie dla życia na Ziemi. Cząsteczki wody mogą łączyć się w mniej lub bardziej stabilne kompleksy. Od lat 90. ubiegłego wieku nauka dysponowała precyzyjnymi danymi eksperymentalnymi o istnieniu agregatów złożonych z nie więcej niż pięciu cząsteczek wody. Międzynarodowy zespół naukowców, w którym uczestniczył Instytut Fizyki PAN, właśnie potwierdził na drodze doświadczalnej istnienie trzech odmian wodnych heksamerów oraz po jednej heptameru i nonameru. Kompleksy te składają się z (odpowiednio) sześciu, siedmiu i dziewięciu cząsteczek wody.
„Wyniki pomiarów, otrzymanych przez naszych amerykańskich kolegów i poddanych analizie u nas w instytucie, wyjątkowo precyzyjnie zgadzają się z przewidywaniami teoretyków. Żartujemy nawet, że tak doskonały stopień zgodności teorii z doświadczeniem spotka się tylko w opracowaniach z pracowni studenckich”, mówi prof. Kisiel, jeden z głównych współautorów publikacji, która właśnie ukazała się w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Science”.
Część doświadczalną badań przeprowadził zespół prof. Brooksa H. Pate’a z Wydziału Chemii przy University of Virginia. Analizę wyników wykonał prof. dr hab. Zbigniew Kisiel z warszawskiego Instytutu Fizyki PAN. Model dynamiki cząsteczek wody na potrzeby eksperymentu stworzyli fizycy z Bucknell University.
Doświadczenie polegało na wstrzykiwaniu gazu przez wąską dyszę do komory wysokopróżniowej. Gazem był obojętny chemicznie neon z jednoprocentową zawartością par wody, który w warunkach próżni gwałtownie ekspandował (z prędkością ponaddźwiękową), schładzając się w ciągu mikrosekund od temperatury pokojowej do zaledwie jednego kelwina. We wnętrzu komory był wykonywany precyzyjny pomiar mikrofalowy za pomocą specjalnie skonstruowanych impulsów pobudzających, analogiczny do sposobu działania tomografu rezonansu magnetycznego. W trakcie eksperymentu naukowcy mierzyli, które częstotliwości mikrofal we wnęce są pochłaniane przez cząsteczki wody.
Dzięki pomiarom zaobserwowano dużą liczbę nieznanych wcześniej linii widmowych. Wiele z nich można było wytłumaczyć zakładając, że promieniowanie mikrofalowe wchodziło w oddziaływanie z agregatami wody zbudowanymi z sześciu cząsteczek ułożonych w różnych wariantach. Zaobserwowano także linie odpowiadające kompleksom zbudowanym z siedmiu i dziewięciu cząsteczek wody.
Analiza widm heksamerów posłużyła do wyznaczenia stałych opisujących sposób rotacji cząsteczek wody względem trzech osi przestrzennych. Stałe te pozwalają łatwo obliczyć moment bezwładności, który zawiera informację o rozmieszczeniu mas w cząsteczce. „Masy atomowe znamy bardzo dokładnie. Dysponując momentami bezwładności otrzymanymi ze stałych rotacyjnych, wyznaczyliśmy pozycje mas w cząsteczkach wody tworzących poszczególne agregaty. Wyliczone pozycje atomów tlenu w agregatach doskonale zgadzały się z pozycjami podanymi przez teoretyków z naszego zespołu", wyjaśnia prof. Kisiel.
W celu zweryfikowania wyników analiz badacze przeprowadzili kolejne eksperymenty. Modyfikowali w nich momenty bezwładności cząsteczek wody, podmieniając atomy tlenu 16 na cięższy izotop 18, a następnie sprawdzali zgodność wyników z teorią. Dokładność wyznaczonych odległości tlen-tlen otrzymano na poziomie 0,01 angstrema (1 Å to jedna dziesięciomiliardowa część metra), podobna jest także zgodność z przewidywaniami teoretycznymi.
Dzięki uważnej analizie danych wśród heksamerów wyodrębniono trzy typy (konformacje) agregatów cząsteczek wody. Pryzma to układ, w którym cząsteczki wody są rozmieszczone w wierzchołkach graniastosłupa o podstawie trójkątnej i łączą się dziewięcioma wiązaniami wodorowymi. Inny agregat przypomina rozchyloną książkę, w której cząsteczki wody znajdują się w zewnętrznych narożnikach obu okładek oraz po obu stronach grzbietu; tu liczba wiązań wynosi siedem. W trzecim typie heksamerów cząsteczki rozmieszczone są w taki sposób, że ich układ przypomina klatkę, w tym przypadku z ośmioma wiązaniami.
Cząsteczki ciekłej wody mogą się łączyć ze sobą za pomocą czterech wiązań wodorowych. Dwa z nich to wiązania poprzez protony (czyli wodory), pozostałe dwa są realizowane za pomocą wolnych par elektronowych. Wiązania wodorowe w poszczególnych odmianach agregatów mają szereg charakterystycznych długości. „Nasze doświadczenia pokazały spójny obraz różnorodności wiązania wodorowego w heksamerach i odzwierciedlają bogactwo wiązań wodorowych występujących w ciekłej wodzie na poziomie nanoskali. Spodziewamy się, że zbadane przez nas konfiguracje cząsteczek mogą już występować w warunkach naturalnych, jako mały fragment struktury zwykłej wody”, stwierdza prof. Kisiel.
Badacze sprawdzili następnie, które typy zaobserwowanych agregatów są najbardziej stabilne. W tym celu podmienili gaz nośny, neon, na argon, charakteryzujący się inną termodynamiką. W nowych warunkach mniej stabilne układy cząsteczek nie powstawały. „Najtrwalszym heksamerem okazał się ten, w którym cząsteczki wody układały się w klatkę”, zauważa prof. Kisiel.
Niektóre linie widmowe otrzymane na University of Virginia udało się zaobserwować także za pomocą aparatury działającej w IF PAN. Wkrótce zostanie ona wyposażona w najnowszą elektronikę, zakupioną w ramach grantu MAESTRO z Narodowego Centrum Nauki. Modernizacja sprzętu pozwoli fizykom z IF PAN na prowadzenie na miejscu dalszych badań eksperymentalnych, także nad innymi tak istotnymi dla poznania nanostruktury otaczającej nas materii obiektami jak agregaty wody.
Precyzyjne metody eksperymentalne, użyte w badaniach nad heksamerami wody, służą jako sprawdzian opisu teoretycznego i oprogramowania używanego do modelowania struktur materii przy pomocy metod chemii kwantowej. Narzędzia te stosuje się m.in. przy poszukiwaniu nowych związków chemicznych i leków.
