Терагерцовый лазер помог снять спектр тримера воды в области низких частот

Ученые смогли зарегистрировать спектр поглощения кластеров из трех молекул воды в инфракрасном диапазоне частот от 70 до 620 обратных сантиметров. С помощью метода изоляции молекул в нанокаплях гелия и лазера на свободных электронах авторам удалось также обнаружить частоты переходов, которые ранее не были зарегистрированы. Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Не секрет, что вода является колоссально важным веществом в биологии и химии. Несмотря на десятилетия исследований взаимодействий между молекулами воды, их точное описание на молекулярном уровне до сих пор остается сложной задачей. Чтобы развить универсальную модель воды, которая могла бы предсказать ее свойства в любой форме и разных условиях, исследователи прибегают к эмпирическим методам спектроскопии и теоретическим расчетам для построения поверхностей потенциальной энергии (ППЭ) водных кластеров.

Если определять энергию межмолекулярных взаимодействий в воде в конденсированном состоянии как разность суммарной электронной энергии системы и энергий отдельных молекул, то получится, что термы кластеров из двух и трех молекул составляют около 98 процентов суммарной энергии. Поэтому для разработки универсальной модели крайне важно изучить межмолекулярные взаимодействия небольших кластеров. Авторы сравнили экспериментальные данные с квантовыми расчетами и смогли сопоставить энергии колебаниям. По сходству полученных данных с экспериментальными данными спектроскопии в газовой фазе авторы заключили, что влияние атомов гелия очень мало и им можно пренебречь в условиях экспериментального разрешения (около одного обратного сантиметра). 

Исследователям впервые удалось зарегистрировать энергии переходов вырожденной трансляции, вырожденной либерации в плоскости и невырожденной либерации вне плоскости, а также обнаружить дополнительные полосы либерационной моды вне плоскости. По словам авторов, результаты исследования могут стать отправной точкой для дальнейших исследований взаимодействий молекул воды и систем из трех молекул.