Woda może być najpowszechniej występującą cieczą na Ziemi, ale wciąż ma ona wiele unikalnych właściwości, które swoje źródło mają w wiązaniach wodorowych między atomami tworzącymi ten związek chemiczny. Cały problem bowiem polega na tym, że wiązania wodorowe w cząsteczce wody istnieją bardzo krótko, a zamiast tego bezustannie się tworzą i ulegają rozerwaniu. Określenie „bardzo krótko” ma tutaj dosłowne znaczenie. Wiązanie wodorowe w cząsteczce ciekłej wody istnieje zaledwie bilionową część sekundy. Przyjrzenie się mu uważnie jest zatem niezwykle trudne.
Okazuje się jednak, że właśnie pojawiło się nowe światełko w tunelu. Zespół naukowców z EPFL w Szwajcarii przedstawił właśnie nową metodę badania wiązań wodorowych, która po raz pierwszy w historii może pozwolić nam na dokładniejsze przyjrzenie się efektom kwantowym zachodzącym w cząsteczce wody. Naukowcy przekonują, że dzięki skorelowanej spektroskopii wibracyjnej (CVS, ang. correlated vibrational spectroscopy) będzie można ustalić, dlaczego wiązania wewnątrz cząsteczki wody są tak silne.
Czytaj także: A to niespodzianka! Planety mają znacznie więcej wody, niż ktokolwiek przypuszczał
Autorzy metody CVS wskazują jednak, że zanim będzie można zbadać same wiązania wodorowe, najpierw muszą zidentyfikować te cząsteczki wody, które biorą udział w interakcjach sieci wiązań wodorowych. W tym celu badacze wystrzeliwują w kierunku cząsteczek wody krótkie impulsy laserowe. Prowokują one ruch atomów tworzących wodę. Te z kolei emitują światło widzialne, w którym zapisane są informacje o tym, jak ułożone są atomy w cząsteczce.
Dotychczas pomiary tego typu mierzyły właściwości całej objętości wody. Wyróżniającą cechą nowej metody jest fakt, że różne rodzaje cząsteczek wody wykazują różne wzorce drgań. Dzięki temu możliwe jest ustalenie, które cząsteczki są częścią sieci wiązań wodorowych. W kolejnym kroku naukowcy mogą zatem szczegółowo mierzyć ilość ładunku między atomami takich cząsteczek. To właśnie ten ładunek stanowi kluczowy element trójwymiarowej sieci wiązań wodorowych.
Czytaj także: Woda na Ziemi mogła tu być od zawsze. Mówią o tym liczne egzoplanety
To ogromny krok na drodze do zrozumienia właściwości wody. Jakby nie patrzeć, jak dotąd naukowcy tłumaczyli je jedynie na podstawie badań teoretycznych i symulacji. Teraz mamy w końcu metodę, która pozwoli zweryfikować wyniki symulacji eksperymentalnie.
Naukowcy wiedzą już, że gdy jony OH⁻ (wodorotlenek) zostaną dodane do wody, staje się ona zasadowa, a dodanie protonów sprawia, że woda staje się kwaśna. Teraz będzie można to badać dokładnie w sposób laboratoryjny za pomocą metody CVS.
Warto tutaj wspomnieć, że CVS — choć opracowane do badania wiązań wodorowych w wodzie — jest metodą o szerszych zastosowaniach. Można założyć, że w najbliższym czasie naukowcy znajdą dla niej także inne zastosowania i zaczną za jej pomocą badać także inne związki chemiczne w skali atomowej.