Kwantowe tunelowanie wody

Kwantowe tunelowanie wody występuje, gdy cząsteczki wody w nanokanałach wykazują kwantowe zachowanie tunelowe, które rozmazuje pozycje atomów wodoru w parę skorelowanych pierścieni. W tym stanie cząsteczki wody ulegają delokalizacji wokół pierścienia i przybierają niezwykły podwójny wierzchołek. W niskich temperaturach zjawisko to ukazuje kwantowy ruch wody przez separujące ściany potencjału, co jest zabronione w mechanice klasycznej , ale dozwolone w mechanice kwantowej .

Kwantowe tunelowanie wody zachodzi w warunkach ultrakondensacji w skałach, glebie i ścianach komórkowych. Przewiduje się, że zjawisko to pomoże naukowcom lepiej zrozumieć właściwości termodynamiczne i zachowanie wody w środowiskach zamkniętych, takich jak dyfuzja wody , transport w kanałach błon komórkowych iw nanorurkach węglowych .

Historia

Tunelowanie kwantowe w wodzie odnotowano już w 1992 roku. W tamtym czasie było wiadomo, że ruchy mogą niszczyć i regenerować słabe wiązania wodorowe poprzez wewnętrzne rotacje podstawników wodnych .

W dniu 18 marca 2016 r. Poinformowano, że wiązanie wodorowe można rozerwać przez tunelowanie kwantowe w heksamerze wodnym . W przeciwieństwie do wcześniej zgłaszanych ruchów tunelowych w wodzie, wymagało to skoordynowanego zerwania dwóch wiązań wodorowych.

W dniu 22 kwietnia 2016 r. Czasopismo Physical Review Letters poinformowało o kwantowym tunelowaniu cząsteczek wody, co wykazano w Spallation Neutron Source i Rutherford Appleton Laboratory . Pierwsze oznaki tego zjawiska naukowcy z Rosji i Niemiec dostrzegli w 2013 r. na podstawie rozszczepienia terahercowych linii absorpcyjnych cząsteczki wody uchwyconej w kanałach o pięciu angstremach w berylu . Następnie obserwowano to bezpośrednio za pomocą rozpraszania neutronów i analizowano metodą ab initio symulacje. W kanale berylowym cząsteczka wody może zajmować sześć symetrycznych orientacji, zgodnie ze znaną strukturą krystaliczną . Pojedyncza orientacja ma atom tlenu mniej więcej pośrodku kanału, przy czym dwa atomy wodoru są skierowane w tę samą stronę w kierunku jednej z sześciu sześciokątnych ścian kanału. Inne orientacje wskazują na inne ściany, ale są oddzielone od siebie barierami energetycznymi około 50 meV . Bariery te nie powstrzymują jednak wodorów przed tunelowaniem między sześcioma orientacjami, a tym samym rozdzielają stanu podstawowego na wiele poziomów.