Вода, попав в тесные каналы внутри бериллового кристалла, переходит в особое квантовое состояние с «размазанными» атомами водорода.

В кристаллической решетке берилла присутствуют небольшие пустоты с шестигранным поперечным сечением. У них очень маленький размер – примерно 0,5 нанометра (10^-9 м) в ширину и 0,9 нанометра в длину. Молекула воды в таком небольшом пространстве может разместиться, однако взаимодействие с атомами кристаллической решетки не позволяет ей свободно поворачиваться. Поэтому вода располагается в центре канала, а её атомы водорода остаются повернутыми к одной из шести его граней. Чтобы изменить собственное положение, перейти из одного устойчивого состояния в другое, молекуле воды необходима энергия около 50 мегаэлектронвольт – иными словами, воде нужно преодолеть энергетический барьер.

Структура берилла (красные кружки – атомы кислорода, зеленые – бериллия, синие – кремния, голубые – алюминия). У молекул воды шестью розовыми кружками показаны все возможные положения атомов водорода. (A. I. Kolesnikov et al., Phys. Rev. Lett. (2016))

Рассчитанная плотность зарядов для протона. Желтым цветом показана самая высокая плотность, синим – самая низкая (A. I. Kolesnikov et al., Phys. Rev. Lett. (2016))

Однако в микромире существует квантовое явление, названное туннельным эффектом – когда частица переходит в другое состояние, даже если ей не хватает энергии. Например, туннельный эффект имеет место при альфа-распаде радиоактивных атомов, когда альфа частица покидает ядро атома, преодолевая барьер, созданный ядерными силами. В случае с водой, заключённой в берилловом кристалле, такой эффект позволяет атомам в молекуле переходить из одного положения в другое, как бы поворачивая ее. Но это не классический поворот, поскольку молекула переходит из одного положения в другое скачком, минуя промежуточные состояния.

О том, что молекула воды может так вести себя в кристалле берилла, впервые несколько лет назад сообщили российские физики, анализировавшие спектры терагерцового излучения молекулы воды. Ее прыжки между состояниями приводят к появлению в спектре нескольких энергетических уровней вместо одного. Но прямых экспериментальных доказательств такого поведения у исследователей тогда ещё не было.

Американские физики из национальной лаборатории Oak Ridge (США) под руководством бывшего сотрудника Института твердого тела РАН Александра Колесникова исследовали рассеяние нейтронов при низких температурах (5-50 градусов Кельвина) на кристалле берилла, содержавшего воду.

Для интерпретации полученных результатов они провели компьютерное моделирование. Эксперимент показал, что молекула воды непрерывно туннелирует между всеми шестью возможными ориентациями. Атомы водорода при этом не находятся в определенном  месте пространства – они «размазаны» вокруг центрального атома кислорода, находясь во всех шести состояниях одновременно. Их плотность заряда представляет собой волнистое кольцо. Об особом квантовом состоянии воды в кристаллической ловушке исследователи рассказали в статье, опубликованной в журнале в журнале Physical Review Letters.

Такое размытие, или «делокализация» атомов водорода изменяет свойства молекулы воды. В обычном состоянии она несимметрична, поскольку оба атома водорода расположены по одну сторону от атома кислорода. Из-за этого молекула воды поляризована – со стороны атомов водорода она имеет положительный заряд, а со стороны кислорода – отрицательный. Другими словами, она обладает дипольным моментом, который определяет электрические и термодинамические свойства воды, а также  ее способности служить эффективным растворителем. В берилле дипольный момент у молекул воды исчезает из-за размазанности водорода.

Исследователи полагают, что подобное туннелирование имеет место и в других ситуациях, когда вода находится в сильно «стесненных» условиях. Так что результаты данной работы помогут лучше понять диффузию воды, ее транспорт в каналах клеточных мембран, углеродных нанотрубках и геологических средах.

(Для справки. Химическая формула минерала берилл Be₃Al₂Si₆O₁₈. Некоторые его разновидности являются драгоценными камнями, например изумруд и аквамарин. Окраска этих камней определяется примесями.)

По материалам Oak Ridge National Laboratory