Структура воды, несмотря на многочисленные исследования, продолжает вызывать интерес учёных. Сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН (г. Новосибирск) и Института сильноточной электроники СО РАН (г. Томск) решили изучить молекулы воды методами широкополосной терагерцовой спектроскопии. Статья об этом вышла в журнале IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 

Вода — один из самых важных элементов на Земле. В молекулу воды входит два атома водорода. Ядро каждого из атомов — протон — имеет специфическое физическое свойство, которое называется спин. Молекула воды, в которой спины двух протонов сонаправлены, называется ортоизомером. Если же они направлены навстречу друг другу, то мы имеем дело с параизомером.

 

 

 

«Наше знание о свойствах спиновых изомеров воды ещё не полно, — поясняет один из авторов статьи кандидат технических наук Александр Анатольевич Мамрашев. — Эти два вида молекул имеют почти идентичные физические и химические свойства, поэтому их трудно отделить друг от друга. Также трудно осуществить превращение одного изомера в другой. В нормальных условиях концентрации изомеров молекул воды относятся как 3:1. Основная задача в рамках гранта Российского научного фонда № 17-12-01418, который мы сейчас выполняем, — изменить это отношение в ту или другую сторону, создав тем самым обогащение одного из изомеров. Далее можно будет исследовать свойства и применения спиновых изомеров воды».

Чтобы следить за концентрацией каждого из изомеров, необходим эффективный метод их детектирования. Учёные ИАиЭ СО РАН и ИСЭ СО РАН разработали эффективный метод измерения содержания орто- и параизомеров паров воды, присутствующих в воздухе. Дело в том, что спектры поглощения этих видов молекул отличаются друг от друга: следуя законам квантовой статистики, два изомера воды находятся в различных вращательных состояниях, и это проявляется в инфракрасных и терагерцовых спектрах поглощения.

Для измерения спектров поглощения на вещество направляется поток излучения, часть которого проходит практически без взаимодействия с субстанцией, а часть поглощается ею. В данном исследовании специалисты использовали импульсное терагерцовое излучение и спектрометр, который позволяет измерять поглощение в широком диапазоне частот от 0,1 до 2,7 ТГц. Измеряя величину поглощения отдельных линий, принадлежащих орто- и пара-H2O, в терагерцовом диапазоне, можно определить концентрацию молекул каждого из изомеров.

Преимуществом разработанного метода по сравнению с методами классической узкополосной спектроскопии является возможность одновременного измерения нескольких линий поглощения молекул воды в одинаковых физических условиях без перестройки частоты излучения.

Процедура измерения отношения орто- и параизомеров молекул воды включала следующие этапы. С помощью созданного в лаборатории информационной оптики ИАиЭ СО РАН широкополосного спектрометра измерялись терагерцовые спектры в двух средах: в чистом азоте при атмосферном давлении и в воздухе, содержащем пары воды. Их сопоставление давало экспериментальный спектр поглощения паров воды, который сравнивался с теоретическим, рассчитанным с использованием данных из международной базы HITRAN.

Сопоставление теоретических спектров с экспериментальными позволило определить отношение концентраций орто- и параизомеров молекул воды. По измерениям в диапазоне 0,15—1,05 ТГц их отношение составило 3,03±0,03. Полученное значение согласуется с теоретическим значением, равным 3 в равновесных условиях.

Результат доказывает работоспособность предложенного метода и открывает перспективы его использования для исследования обогащения ядерных спиновых изомеров молекул воды в газовой фазе. Обогащенные изомеры могут найти применение в задачах магнитной томографии и для исследования процессов с участием молекул воды в космосе.

 

Институт автоматики и электрометрии СО РАН

Фото из открытых источников

Источники

Сибирские ученые изучают молекулы воды методом широкополосной спектроскопии
Infopro54.ru, 29/01/2018
Сибирские ученые разработали эффективный метод для изучения молекул воды
Наука в Сибири (sbras.info), 29/01/2018
Новосибирские и томские ученые разработали эффективный метод изучения молекул воды
БезФормата.Ru Новосибирск (novosibirsk.bezformata.ru), 29/01/2018
Новосибирские и томские ученые разработали эффективный метод изучения молекул воды
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 29/01/2018
Два вида воды получат новосибирские ученые
Все новости Новосибирской области (vn.ru), 30/01/2018
Два вида воды изучают новосибирские ученые
Новости@Rambler.ru, 30/01/2018
Сибирские ученые разработали эффективный метод для изучения молекул воды
Институт автоматики и электрометрии (iae.nsk.su), 30/01/2018
Сибирские ученые разработали эффективный метод для изучения молекул воды
Российский научный фонд (рнф.рф), 30/01/2018
Сибирские ученые нашли новый способ изучения молекул воды
ИА Ореанда-Новости, 06/02/2018
"Сибирские ученые нашли новый способ изучения молекул воды"
Ivest.kz, 06/02/2018
"Наука и техника. Сибирские ученые нашли новый способ изучения молекул воды"
Ivest.kz, 06/02/2018
В Сибири изучили молекулы воды с помощью терагерцовой спектроскопии
Реактор (reactor.space), 07/02/2018

Похожие новости

  • 25/02/2019

    СО РАН: разработки по сходной цене

    ​Количество открытий и инновационных разработок Сибирского отделения РАН увеличивается с каждым годом. Сегодня у сибирских ученых полные руки новинок. Хорошо? Разумеется. Но... Сегодня ученым институтов СО РАН фактически все равно, в рамках ли проекта «Национальная технологическая инициатива» (НТИ), программы ли реиндустриализации Сибири в целом и Новосибирской области в частности или какого другого проекта начнется широкое применение их разработок в российской промышленности.
    629
  • 28/07/2017

    Нестоличная наука: новгородские викинги, миниатюрный лазер и нейросеть-кардиолог

    ​​Робот-разведчик, древняя птица, рентгеновская линза и другие открытия и разработки российских ученых, сделанные вне Москвы и Санкт-Петербурга. Великий Новгород Уникальное кладбище X-XI веков обнаружила экспедиция Института археологии РАН при раскопках в центре Новгорода.
    1284
  • 01/11/2017

    40 лет со дня открытия Института сильноточной электроники СО РАН

    ​Институт сильноточной электроники СО АН СССР был организован постановлением Госкомитета СССР по науке и технике и постановлением Президиума Сибирского отделения АН СССР в 1977 году. В настоящее время институт возглавляет академик Николай Ратахин.
    1549
  • 25/09/2019

    Ученые ТГУ нашли новые пульсации в пламени «горелки» для тяжелого топлива

    Исследования нового устройства, созданного в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской академии наук и предназначенного для бессажевого сжигания тяжёлого углеводородного топлива с паровой газификацией, провели на механико-математическом факультете.
    362
  • 18/09/2018

    Директор ИАиЭ СО РАН Сергей Бабин принял участие в заседании научно-технического совета АУ «Технопарк – Мордовия»

    13-14 сентября в Саранске прошло VI заседание Научно-технического совета (НТС) АУ «Технопарк - Мордовия». Мероприятие было посвящено рассмотрению вопроса «Цифровая повестка в волоконной оптике». Ведущие российские учёные и специалисты в сфере научно-технической и инновационной деятельности обсудили завершение проекта по созданию Инжинирингового центра волоконной оптики, работа которого напрямую связана с задачей по построению цифровой экономики, поставленной Президентом России.
    730
  • 15/01/2019

    Энергетика: инновации и безопасность

    В ноябре 2018 года Совет безопасности одобрил новую доктрину национальной энергобезопасности. Этот документ в том числе предусматривает меры по импортозамещению важнейших для ТЭК технологий и оборудования, т.
    1315
  • 21/03/2017

    Флеш-память: исследования новосибирских ученых

    Почему фотоаппарат сохраняет сделанные нами кадры, а телефон позволяет прослушивать любимые мелодии? Все мы пользуемся флешками, планшетами и другими гаджетами, но не всегда задумываемся, каким образом они работают.
    1725
  • 26/05/2017

    Статья новосибирского ученого о новом типе волоконных лазеров опубликована в журнале Nature Communications

    ​​Заведующий лабораторией волоконных лазеров НГУ, старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН Дмитрий Чуркин вместе с коллегами из Университета Астон Марией Сорокиной и Шурикантом Сугаванамом опубликовали работу, посвященную актуальной теме: исследованию спектральных корреляций в случайном волоконном лазере.
    2078
  • 22/03/2019

    Институт автоматики и электрометрии СО РАН получил награды на выставке в Санкт-Петербурге

    С 12 по 14 марта 2019 г. в Санкт-Петербурге проходила XXV Международная выставка-конгресс «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (НI-ТЕСН 2019). Выставка НI-ТЕСН (проводится совместно с Петербургской промышленной ярмаркой) является первым в России мероприятием в области высоких технологий, инноваций и инвестиционных проектов в научно-технической сфере.
    525
  • 21/03/2019

    Фотоника. Мир лазеров и оптики – 2019: Разработки ИАиЭ СО РАН вызывают стабильный интерес

    ​В Москве 7 марта 2019 г. завершила свою работу 14-я международная специализированная выставка «Фотоника. Мир лазеров и оптики - 2019» – ключевое отраслевое событие в России и Восточной Европе, смотр новейших достижений современной лазерной, оптической и оптоэлектронной техники, соорганизатором которого является Лазерная ассоциация.
    390