Фізики під керівництвом Олександра Колеснікова з американської Національної лабораторії в Оук Рідж виявили в нанорозмірних каналах кристалів берилу (смарагд і аквамарин є його підвидами) новий стан води. Як показали експерименти і моделювання, молекули H2O, замкнені в берилі, за рахунок квантового тунелювання перетворюються на «змащені копії самих себе» і, наприклад, втрачають дипольний момент. Дослідження опубліковано в, коротко про нього можна прочитати на сайті Американського фізичного товариства.
Берил, - мінерал з хімічною формулою Be3Al2Si6O18 - утворює дуже тонкі і протяжні канали, які можуть наповнюватися водою. У цих каналах існують звуження, «камери» діаметром 0,5 і довжиною 0,9 нанометрів, в яких може поміститися лише одна молекула H2O.
Попередні спостереження за допомогою спектроскопії в терагерцевому діапазоні показали, що молекули води всередині берилових нанокапилярів, можливо, беруть участь у тунелюванні, тобто можуть «перестрибувати» між різними квантовими станами. Однак доказів тунелювання і розуміння його механізму в цьому випадку у фізиків досі не було.
У новій роботі вчені спостерігали за поведінкою води за допомогою нейтронної спектроскопії і паралельно розраховували поведінку молекул у кристалах на комп'ютері, за методом (з перших принципів - тобто моделювання включало квантові ефекти). У новій статті дослідники описують, як їм вдалося не тільки передбачити появу піків, точно відповідних енергіям переходів між різними орієнтаціями однієї молекули води, але і зафіксувати ці піки в експерименті. Крім того, фізики побачили падіння інтенсивності піків зі зростанням температури - це є вірною ознакою тунелювання, оскільки його ймовірність падає при нагріванні, на відміну від вібраційних переходів.
Поведінка води в берилі, згідно з зібраними даними, виглядає наступним чином. Канал, всередині якого знаходиться молекула, має шість граней. Атом кисню в молекулі води знаходиться майже в центрі каналу, а пара водень звернена до однієї з шести стінок. З енергетичної точки зору орієнтація на будь-яку з шести стінок рівномовірна, але ось провернутися всередині каналу і перейти з однієї орієнтації в іншу молекула води не може - занадто вузький канал, необхідно занадто багато енергії.
Саме тут і проявляється ефект квантового тунелювання, сліди якого фізики раніше помічали в терагерцевих спектрах. Виявляється, молекула води може поміняти орієнтацію з однієї стінки на іншу, не побувавши в середньому положенні, - вона тунелює з початкової в кінцеву точку повороту. Крім того, оскільки всі шість положень еквівалентні, то тунелювання відбувається між усіма положеннями однаково. Фактично, пара атомів водню H2O розмазуються в просторі, утворюючи щось на зразок бублика щільності навколо центру каналу.
Така дивна поведінка води на мікрорівні викликає і макроскопічні ефекти - у води в берилі, наприклад, пропадає дипольний момент. Зазвичай він викликається тим, що водню (які заряджені частково позитивно) дивляться в один бік, а атом кисню (який заряджений частково негативно) - в інший. Однак у «бериловій воді» всі водню делокалізовані і молекула не має позитивно і негативно заряджених частин. Оскільки багато властивостей води (наприклад, висока енергія випаровування і розчинна здатність) залежать безпосередньо від дипольного моменту, такий стан води виглядає досить незвично. Хоч його і неможливо перенести з каппілярів в розчин.
Вчені зазначають, що подібні стани води не обов'язково прив'язані саме до берилу або мінералів взагалі. Вони можуть виникати при виникненні сильних стеричних труднощів і в інших матеріалах - наприклад, всередині іонних каналів у білках або в мембранах.