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Examinando la estructura del agua líquida mediante pulsos de rayos X de attosegundos

Examinando la estructura del agua líquida mediante pulsos de rayos X de attosegundos

&bala; Física 17, 56

Utilizando tecnología ultrarrápida, los investigadores arrojan luz sobre cómo se refleja la estructura del agua formada por enlaces de hidrógeno en el espectro de rayos X.

Laboratorio Nacional S. Huang/Argonne

Las moléculas de agua chocan con dos pulsos de rayos X cortos y muy espaciados (líneas rosa y verde). Las bolas rojas representan los átomos de oxígeno en cada molécula, las bolas grises representan los átomos de hidrógeno y las bolas azules representan los electrones que son expulsados ​​de las moléculas cuando llega el primer pulso.

El agua es extraña. A diferencia de otros líquidos, su densidad no aumenta de manera constante a medida que disminuye su temperatura. En cambio, la densidad del agua alcanza un máximo de 4°C y luego disminuye rápidamente. Para explicar este comportamiento, así como otras propiedades extrañas del agua, los físicos propusieron que las moléculas de agua en una muestra determinada se ensamblan en dos formas “estructurales” coexistentes. Cada forma se caracteriza por la cantidad de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua y tiene una densidad diferente. Ahora un equipo de investigadores de Estados Unidos y Alemania ha realizado un experimento que muestra lo que el modelo binario puede y no puede explicar. [1].

El agua líquida debe su complejo comportamiento a la tendencia de sus moléculas a formar enlaces de hidrógeno. Este enlace da como resultado cambios sutiles en los niveles de energía de las moléculas que están ausentes en la fase gaseosa. Una de esas transiciones es una característica de doble pico en el espectro de fluorescencia de rayos X del agua líquida que se descubrió en 2008. [2, 3]- Brindé soporte al modelo de dos incentivos. Sin embargo, existen interpretaciones alternativas de los datos. Algunos creen que el primer pico surge de los iones hidroxilo producidos por los rayos X ionizantes, mientras que el segundo pico surge de moléculas de agua intactas. [4]. Otro sugiere que la característica del doble pico proviene de la dinámica del proceso de enlace de hidrógeno. [5].

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Los experimentos de 2008 observaron escalas de tiempo de femtosegundos, lo que permitió a los investigadores estudiar los movimientos atómicos. Los nuevos experimentos exploran escalas de tiempo del orden de totosegundos, lo suficientemente cortas como para que los átomos de hidrógeno y oxígeno parezcan congelados en su lugar.

Para realizar los experimentos, el equipo utilizó la fuente de luz coherente Linac en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en California. Los investigadores golpearon una muestra de agua líquida con una serie de pulsos con la energía de un solo fotón (la bomba), luego una serie de pulsos con el doble de energía (la sonda). Eligieron una energía de bombeo de 255-270 eV, que es suficiente para ionizar electrones en la banda de valencia del oxígeno. La energía de la sonda de 510-540 eV fue suficiente para impulsar los electrones del núcleo hacia los sitios de electrones ionizados.

Después de atravesar el objetivo de agua líquida, la sonda atravesó una barrera espectral y luego chocó con una cámara de rayos X. El espectro registrado por la cámara fue similar al medido en los experimentos de 2008, excepto que el pico tenía sólo una protuberancia, lo que significa que el agua tenía sólo una forma estructural. Este resultado indica que el doble pico observado en experimentos con femtosegundos tiene un origen alternativo. La energía de la bomba en esos experimentos anteriores -así como en los nuevos- era lo suficientemente alta como para dividir una molécula de agua en un ion hidrógeno y un ion hidroxilo, un proceso que tiene lugar en unos pocos femtosegundos. El nuevo experimento fue tan rápido que escaneó las moléculas de agua antes de que ocurriera alguna división.

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“Nuestro experimento ciertamente descarta el argumento de que el espectro de emisión de rayos X de doble pico es evidencia de dos formas en el agua líquida circundante”, dice Linda Young del Laboratorio Nacional Argonne en Illinois, quien participó en el nuevo estudio. Anders Nilsson estudia la estructura del agua en la Universidad de Estocolmo. Señala que los dos picos observados en los experimentos de 2008 podrían haber surgido del efecto de las dos formas sobre la dinámica de la disociación del agua, más que de los elementos mismos. Como explicación de la extrañeza del agua, dice, el modelo binario sigue en uso.

-Día de Carlos

Charles Day es editor senior de Revista de Física.

Referencias

  1. Su Lee et al.“Espectroscopia de rayos X de agua líquida con bomba y sonda de attosegundos” Ciencias 3831118 (2024).
  2. Hola zorro et al.“Efectos de los isótopos y la temperatura en agua líquida investigados mediante espectroscopia de absorción de rayos X y emisión de rayos X resonantes”. Física. Rev. iluminado. 100027801 (2008).
  3. Tokushima et al.“Espectroscopia de emisión de rayos X de alta resolución de agua líquida: observación de dos motivos estructurales”, Química. Física. Letón. 460387 (2008).
  4. Volkswagen Cruzeiro et al.“La división 1b1 en el espectro de emisión de rayos X del agua líquida está dominada por una desintegración ultrarrápida”, Preimpresión de ChemRxiv (2023).
  5. oh takahashi et al.“Interpretación de espectros de emisión de rayos X de agua líquida a través de la temperatura y la dependencia de isótopos” Física. Rev. iluminado. 128086002 (2022).

Áreas temáticas

Física atómica y molecular, física de la materia condensada.

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