Neuer Zustand des Wassers: seltsame 6-seitige Molekül gefunden

Ein seltsames neues Verhalten von Wassermolekülen in Kristallen von Beryl beobachtet worden, eine Art von Smaragd, verursacht durch bizarre quantenmechanischer Effekte, mit denen die Wassermoleküle stehen sechs verschiedene Richtungen zur gleichen Zeit.

Unter normalen Bedingungen sind die zwei Wasserstoffatome in jedes Wassermolekül um das Sauerstoff-Atom in einer offenen "V" Form, manchmal im Vergleich zu einem Bumerang oder Mickey-Mouse-Ohren angeordnet.

Aber ein neues Experiment haben Wissenschaftler festgestellt, dass Wasserstoff-Atome der einige Wassermoleküle gefangen in der Kristallstruktur von dem Mineral Beryll "in einen sechseckigen Ring verwischt geworden". [Die überraschend merkwürdige Physik Wasser]

Die Ringform "Quantum tunneling" verursacht durch die Moleküle, ein Phänomen, mit dem subatomaren Teilchen Pass oder "tunnel" durch scheinbar unmögliche Hindernisse.

In diesem Szenario sind die Atome des Wassermoleküls "delokalisiert" unter den sechs möglichen Richtungen in natürlichen sechseckigen Poren oder Kanäle, die zwar die Kristallstruktur von Beryl, laufen so sie teilweise existieren in allen sechs Positionen zur gleichen Zeit, sagte der Forscher.

Im Inneren Kristalle

Wissenschaftler aus Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee und Rutherford Appleton Laboratory in Großbritannien beobachtet die neu entdeckte Wirkung in blauen Aquamarin Kristalle, die bei einer Edelstein-Show gekauft. Blaue Aquamarin; grüne und Rote Smaragd; Rosa Morganit; Gold Heliodor; und klare Goshenit Edelsteine sind alle Sorten von dem Mineral Beryll (Beryllium-Aluminium-Cyclosilicate) mit Spuren von anderen Chemikalien, die die Kristalle ihre charakteristischen Farben geben.

"Wir entschieden uns für Beryl weil es hat eine Kristallstruktur, die Kanäle, etwa 5 Angström [5 10-Millionstel Millimeter] verfügt über — ein klein wenig größer als ein Wassermolekül – und aus spektroskopischen Daten ist bekannt, dass natürliche Berylle Wasser in ihnen haben", sagte Larry Anovitz, Geochemiker an ORNL und einer der Autoren des Papiers auf die neue Forschung. "Wir wissen bereits aus vielen anderen Studien, dass wie Sie Wasser in kleinere Poren es beginnt, die Eigenschaften des Wassers zu beeinflussen – den Gefrierpunkt sinkt, die Dichteänderungen allerlei Dinge. Also wollten wir wissen, wenn Sie gemacht die Poren so klein, dass Sie nur ein einzelnes Molekül des Wassers einsteigen können, was würde das für die Eigenschaften des Wassers tun würde?"

Was dann geschah war unerwartet, sagte Anovitz Leben Wissenschaft.

"Wir wussten, dass natürliche Beryl Wasser in diesen Kanälen in der Struktur, hätte so konnten wir gehen und schauen und sehen, was die Eigenschaften waren", sagte er. "Aber wir wussten nicht, dass die Eigenschaften so fremd sein, wenn wir sahen uns ausgehen würde." [Finstere Sparkle-Galerie: 13 geheimnisvoll und verfluchten Edelsteinen]

Einen neuen Staat zu sehen

Nach dem Abkühlen die Beryll-Kristalle auf sehr niedrige Temperaturen gemessen die Wissenschaftler ORNLs Spallation Neutron Source-Anlage die niedrigsten Energieniveaus der Atome in der eingeschlossenen Wassermoleküle mit Neutronenstreuung Experimenten, die einen Lichtstrahl Neutron subatomare Partikel verwenden, um die Bewegung von Atomen und Molekülen chart.

"Als wir anfingen, Peaks im Spektrum inelastischer Neutronenstreuung für dieses Beispiel betrachten, sahen wir eine Reihe von Peaks im Spektrum, anstatt immer größer mit Temperatur – das ist, was passieren soll – bekamen mit Temperatur, kleiner" Anovitz sagte.

"Es gibt zwei Möglichkeiten, dies passieren könnte, — entweder durch Quantum tunneling oder magnetische Übergänge – und wir konnten beweisen, dass dies tatsächlich das Quantum Tunnelbau der Wassermoleküle," sagte er.

Wechselwirkungen zwischen Wassermoleküle und die Wände der sechseckige Kanäle in der Regel Kraft das Wasser in der Mitte des Kanals, mit beiden Wasserstoff "Maus Ohren" mit Blick auf die gleichen eines der sechs Seiten.

In ihrer niedrigsten Energiezustand haben die Wassermoleküle nicht genug Energie, um zu einer der benachbarten Positionen drehen.

In den Bereichen, wo die Kanäle schmal also nur eine einzige Wasser, Molekül kann aber passen, die Atome im Wasser Molekül "tunnel kann" durch die Energiebarriere, die Drehung verhindert. Und die neue Experimente zeigen, dass die Moleküle eine "Doppel-Top"-Form, mit der Proton Kern jedes Wasserstoff Atom abbauen in einem sechsseitigen Ring um das zentrale Sauerstoffatom formten die Forscher sagten.

Messung der Moleküle

Alexander Kolesnikov, Physiker am ORNL und der Erstautor des Fachartikels, sagte Zusatzstudium am Rutherford Appleton Laboratory festgestellt hatte, dass die kinetische Energie des Wasserstoff-Protonen in der sechsseitigen Wassermoleküle ungefähr 30 Prozent niedriger als in den Molekülen des Wassers in seinen normalen Zustand oder "bulk Wasser."

"Das eine direkten Hinweis darauf, dass dies eine Quanten-Eigenschaft durch den Tunnelbau des Wassers in diesem Beryl-Kanal ist", sagte Kolesnikow Leben Wissenschaft. "Klassische ausgedrückt, würde die kinetische Energie voraussichtlich etwas vergleichbar mit allen anderen Masse Wasser.

"Dies ist keine neue Phase des Wassers [wie Eis oder Dampf] — Es ist nicht völlig in der Gasphase, aber es ist in der Nähe einer Gasphase," fügte er hinzu. "Aber bei niedrigen Temperaturen durch Quanten Betriebsverlagerungen, die kinetische Energie der Protonen deutlich verringert, und sie verbreiten unter diese Energiebarriere []." Also, würde ich sagen, diese Art von einen neuen Zustand des Wassermoleküls ist."

Anovitz sagte, dass Quantum tunneling bekannt war, in anderen Substanzen auftreten, aber die Wirkung war in der Regel beschränkt auf subatomare Teilchen, anstatt größere Partikel wie Wassermoleküle.

Quantum tunneling war auch bekannt unter Wasserstoff-Atome in den Molekülen der Methyl-Gruppe, statt in eine dreieckige Pyramidenform um ein Kohlenstoffatom angeordnet sind, aber die Moleküle sah die gleiche Form nach dem tunneling Übergang, sagte er.

"Mit Wasser, wenn es um diese sechsfache Achse im Beryl-Kanal bewegt es sieht nicht gleich mehr – und das ist etwas, das nie zuvor gesehen worden ist", sagte Anovitz.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters. 22 April veröffentlicht.

Folgen Sie Live Science @livescience , Facebook & Google + .