این مطالعه جدید اسرار بیش از حد آن را کشف می کند

آب بیش از حد ، یک بیماری مرموز که در آن آب مانند مایع و گاز رفتار می شود ، مدتهاست که دانشمندان متعجب بوده است.

محققان در آلمان استفاده کردند تاهرتز طیف سنجی و شبیه سازی های قدرتمند برای از بین بردن نهایتا یک مولکولهای مهم تئوری آب در این شرایط خوشه های هیدروژن را تشکیل می دهند. این تیم با ساختن یک سلول فشار خون بالا ، نشان داد که آب بیش از حد مانند گاز مانند گاز رفتار می کند که فاقد پیوندهای هیدروژن طولانی مدت است که در آب مایع یافت می شود. این شبیه سازی ها تأیید می کنند که تعامل بین مولکول ها زودگذر و مختل شده است.

پاشیدن نور روی آب بحرانی

محققان دانشگاه روهر بوچوم در آلمان ایده جدیدی از ساختار آب بیش از حد بحرانی به دست آورده اند ، یک بیماری منحصر به فرد که در آن آب به عنوان مایع و گاز رفتار می شود. این وضعیت فقط در شرایط شدید رخ می دهد: درجه حرارت بالاتر از 374 درجه سانتیگراد و فشار بالاتر از 221 بار.

یک تئوری طولانی مدت نشان می دهد که در این حالت ، مولکول های آب خوشه هایی را تشکیل می دهند که توسط پیوندهای هیدروژن در کنار هم قرار دارند. با این حال ، تیم Bochum با استفاده از ترکیبی از طیف سنجی تراهرتز و شبیه سازی های پویا مولکولی ، این ایده را رد کرده است. اکتشافات آنها در 14 مارس 2025 در مجله منتشر شد علم در حال پیشرفت استحرف

چرا آب بیش از حد مهم است

آب بیش از حد می توان در طبیعت یافت ، مانند اطراف دهانه های گرمابی برای دهانه های عمیق معروف به افراد سیگاری سیاه که در آن فشار و گرما استثنایی وجود دارد. درک ساختار مولکولی آن می تواند به دانشمندان کمک کند تا شیمی را که در این محیط ها اتفاق می افتد بهتر توضیح دهد.

دومینیک مارکس با استناد به یک سند اخیر که توسط گروه تحقیقاتی خود در مورد این موضوع منتشر شده است ، می گوید: “درک ساختار آب بیش از حد -می تواند به ما کمک کند تا فرآیندهای شیمیایی را در نزدیکی افراد سیاه پوست روشن کنیم.”

“به دلیل خاصیت منحصر به فرد آن ، آب بیش از حد بحرانی نیز به عنوان یک حلال” سبز “برای واکنش های شیمیایی مورد توجه است. این امر به این دلیل است که سازگار با محیط زیست و در عین حال بسیار واکنشی است. “

به منظور بهبود قابلیت استفاده از آب بیش از حد ، لازم است فرآیندهای موجود در آن را درک کنیم. تیم مارتینا هاییت برای این منظور از طیف سنجی تراهرتز استفاده می کند. در حالی که سایر روشهای طیف سنجی ممکن است برای بررسی پیوندهای N در مولکول مورد استفاده قرار گیرد ، طیف سنجی Terahertz به طور قابل توجهی پیوند هیدروژن بین مولکول ها را بررسی می کند و در نتیجه امکان تشکیل خوشه ها در آب فوق العاده منتقد را فراهم می کند.

دستیابی به فشار بالا

مارتینا هیتیت توضیح می دهد: “در آزمایشات تجربی ، استفاده از این روش در آب بیش از حد ، یک چالش بزرگ بود.” “ما برای سلولهای فشار بالا برای طیف سنجی تراهرتز به ده برابر قطر بزرگتر نیاز داریم تا در هر محدوده طیفی دیگر ، زیرا ما با طول موج های طولانی تر کار می کنیم.” در حین کار بر روی پایان نامه دکتری خود ، کاتیا مائولهاگن ساعتهای بی شماری را صرف طراحی و ساخت یک سلول جدید و بهینه سازی مناسب کرد تا بتواند علی رغم اندازه خود ، در برابر فشار و دما شدید مقاومت کند.

تصویر مولکولی را بازنویسی کنید

در پایان ، آزمایشگران توانستند داده هایی را از آب وارد کنند که وارد کشور بیش از حد ، و همچنین از خود دولت بحرانی می شوند. در حالی که طیف تراهرتز از آب مایع و گازی به طور قابل توجهی متفاوت است ، طیف های آب بیش از حد بحرانی و حالت گازی تقریباً یکسان به نظر می رسید. این ثابت می کند که مولکول های آب به همان اندازه پیوندهای هیدروژن در حالت فوق بحرانی مانند حالت گازی تشکیل می دهند. گرهارد شواب گفت: “این بدان معنی است که هیچ خوشه مولکولی در آب بیش از حد وجود ندارد.”

یکی از اعضای تیم دومینیک مارکس ، فیلیپ شینبن ، که فرآیندهای موجود در آب بیش از حد را با استفاده از دینامیک پیچیده مولکولی Ab Initio به عنوان بخشی از پایان نامه دکتری خود محاسبه کرد ، به همین نتیجه رسید. درست مانند آزمایش ، ابتدا باید چندین موانع برطرف شود ، مانند تعیین موقعیت دقیق نقطه بحرانی آب در آزمایشگاه مجازی.

اتصالات زودگذر آب بیش از حد را تعیین می کند

شبیه سازی های Ab Initio سرانجام نشان داد که دو مولکول آب در حالت بیش از حد بحرانی فقط برای مدت کوتاهی قبل از تقسیم ، نزدیک به یکدیگر باقی می مانند. بر خلاف پیوند هیدروژن ، پیوندهای بین اتم های هیدروژن و اکسیژن دارای جهت گیری ارجح نیستند ، که این یک خاصیت اصلی پیوندهای هیدروژن است. جهت اتصال هیدروژن-اکسیژن به طور مداوم چرخانده می شود.

فیلیپ شینبن تأکید می کند: “روابطی که در این حالت وجود دارد بسیار کوتاه مدت است: 100 برابر کوتاهتر از پیوند هیدروژن در آب مایع.” نتایج شبیه سازی ها کاملاً مطابق با داده های تجربی است ، اکنون یک تصویر مولکولی دقیق از پویایی ساختاری آب در یک حالت بیش از حد ارائه می دهد.

اطلاعات: “جلسات تصادفی بر تعامل های موجود در آب تحت شرایط بحرانی” توسط کاتیا مائولهاگن ، فیلیپ شینبن ، اینگا کولینگ ، گرهارد شواب ، دومینیک مارکس و مارتینا هیتوی ، 14 مارس 2025 ، حاکم است. علم در حال پیشرفت استحرف
doi: 10.1126/sciadv.adp8614

این مطالعه همکاری بین فیزیکدانان آزمایشی دکتر کاتیا مائولهاگن ، دکتر گرهارد شواب و پروفسور مارتینا هیت از رئیس جمهور شیمی فیزیکی II و شیمی دانان نظری دکتر فیلیپ شیبین و پروفسور دومینیک مارکس از رئیس شیمی نظری است. این کار توسط خوشه دستاوردهای برتر که روهر به بررسی راه حل (RESOLV) می پردازد ، پشتیبانی می شود.