Это заняло 200 лет, но ученые выяснили, как на самом деле вода проводит электричество

Всем известно, что вода – отличный проводник электрического тока. По этой причине, например, крайне не рекомендуется использовать электрические приборы вблизи источников воды и не купаться в водоемах во время грозы. Однако несмотря на относительную простоту этого правила, до сих пор никто не мог точно объяснить, как молекулы воды способны передавать между собой протоны во время этого процесса проводимости.


Группа исследователей из Йельского университета под руководством профессора химии Марка Джонсона впервые смогла запечатлеть с помощью спектроскопического анализа процесс передачи электронов, происходящий в молекулах воды. Сам процесс передачи носит название «механизма Гротгуса» (был впервые предсказан немецким химиком Теодором фон Гротгусом) и мучает умы ученых уже более 200 лет.

«Этот фундаментальный химический и биологический процесс не имел точного обоснования и объяснения», — говорит исследователь Энни Маккой из Вашингтонского университета.

Годы изучения химии воды на молекулярном уровне все-таки привели к нужному открытию. В рамках исследования ученые смогли заморозить молекулы воды в тот момент, когда они находились в своих переходных состояниях, что позволило исследователям в деталях изучить структурные изменения, происходящие в рамках механизма Гротгуса. В своей работе они применяли молекулы «тяжелой воды» (оксид дейтерия), которые очень резко замораживались до температуры близкой к абсолютному нулю (-273,15 градуса Цельсия).



Многие годы именно это изображение было самым детальным представлением нашего понимания о том, как происходит этот процесс. Несмотря на то, что ученые прекрасно понимали, как этот механизм работает на практике, они не имели возможности визуально и в деталях убедиться в этом.

Как указывает журнал Science, результаты исследования носят революционный характер. Последние 200 лет ученые пытались найти экспериментальный способ, чтобы проследить за структурными изменениями в молекулах воды, когда те проводят электричество. Задача оказалась крайней сложной. В последние годы исследователи пытались осуществить мониторинг процесса с помощью инфракрасного сканирования. Результаты оказались очень некачественными. Снимки были очень расплывчатыми и не давали четкого представления о происходящем процессе.


«Расплывчатость оказалась настолько сильной, что даже не позволила определить связь между цветом и структурой», — объясняет Джонсон.

Но стоило только ученым применить метод мгновенной заморозки, результаты оказались ошеломительными.

«Мы фактически открыли Розеттский камень, который показал нам структурную информацию во всех деталях и цвете. Мы смогли выявить последовательность определенных деформаций, сменяющихся, как кадры в фильме. Это даст нам новое представление о воде и ее проводящих свойствах, так как феномен является частью множества химических реакций на Земле», — говорит Джонсон.

«Теперь у нас есть утраченное звено, дающее нам представление о более полной картине: как протоны двигаются через молекулы воды», — говорит Маккой.

Кроме того, техника, которую использовали ученые для открытия, также является в некоторой степени революционной. Она также позволяет нам заглянуть в другие свойства воды вроде недавно обнаруженной возможности воды превращаться в лед, даже при температурах выше кипения.