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

  • 03/02/2021

    Программа мероприятий, посвященных Дню российской науки

    ​Ежегодно 8 февраля российское научное сообщество отмечает свой профессиональный праздник — День российской науки. ​ По традиции к этой дате в институтах и вузах, находящихся под научно-методическим руководством Сибирского отделения РАН, приурочены научно-популярные мероприятия: дни открытых дверей, экскурсии, лекции и так далее.
    2658
  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    6539
  • 05/10/2018

    Бюро отделения физических наук РАН одобрило только один проект развития СО РАН

    Как стало известно «Континенту Сибирь», бюро отделения физических наук РАН не одобрило 6 из 7 представленных регионами Сибири проектов развития Сибирского отделения РАН. Информацию подтвердил научный руководитель Института автоматики и электрометрии СО РАН, академик Анатолий Шалагин.
    1654
  • 29/12/2020

    Цитируемые ученые ТПУ: добыча высоковязкой нефти и солнечная энергия для Якутии

    ​​​​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за ноябрь и декабрь. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 70, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 6,182.
    865
  • 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.
    1841
  • 17/02/2021

    Антивирусную лампу, представленную томскими учеными, планируется запустить в производство

    ​Антивирусную лампу, представленную томскими учеными, планируется запустить в производство. Напомним, разработанную ими антивирусную лампу нового типа представили ученые Института сильноточной электроники СО РАН, изготовили ее в НПЦ "Полюс".
    604
  • 26/03/2021

    Всё только начинается. От прикладной механики до энергии плазмы

    18 марта 60-летний юбилей отметила кафедра прикладной механики и материаловедения механико-технологического факультета ТГАСУ. В масштабах вуза – цифра не маленькая. В честь этого памятного дня вспоминаем ключевые даты в истории, а также узнаем о новых победах и открытиях.
    884
  • 28/12/2020

    ИАиЭ СО РАН и НГУ вошли в консорциум по реализации проекта НТИ «Фотоника»

    В Пермском крае появится первый в стране центр компетенции «Фотоника». На его развитие из федерального бюджета направят 650 млн рублей.«В России с 2021 года заработают два новых Центра компетенций НТИ по фотонике и моделированию новых материалов, на базе четырёх российских университетских консорциумов.
    1066
  • 31/03/2021

    Институты СО РАН принимают участие в выставке «Фотоника. Мир лазеров и оптики-2021»

    ​​30 марта 2021 года в Москве, в «Экспоцентре» состоялась церемония официального открытия 15-й юбилейной международной специализированной выставки оптической, лазерной и оптоэлектронной техники – «Фотоника.
    598
  • 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.
    1974