ترکیب دو فن طیف‌سنجی، ریز مکانیزم‌هایی که رفتار ثابت دی‌الکتریک آب را کنترل می‌کنند را آشکار می‌سازد.

این که می‌توانیم به طور انتخابی سهم‌های موضعی و جمعی را نسبت به دینامیک آب مورد بررسی قرار دهیم، به خاطر ویژگی‌های هسته‌های هیدروژن است. در آزمایش‌های نوترونی، پراکندگی توسط اتم‌های هیدوژن ناهمدوس است- نوعی پراکندگی مستقل از جهت که به حرکات تک تک اتم‌های هیدروژن مرتبط است اما نه به ساختار مایع یا دینامیک جمعی آن. اتم‌های دوتریوم (D ) غالباً پراکندگی همدوس تولید می‌کنند، که از جنبش‌های جمعی ناشی می‌شود. می‌توان با مقایسه آزمایش‌هایی که بر روی آب سبک (H2O ) و آب سنگین (D2O ) می‌شوند، اطلاعات موضعی و جمعی را جدا نمود.

تحقیقات بر روی آب مایع که استراحت دی‌الکتریک و پراکندگی نوترونی را با یکدیگر می‌آمیزد قبلا انجام شده است اما نتایج در حد مشاهدات کیفی بوده‌اند. آربی و همکاران اکنون اولین تحقیق کمی را با استفاده از هر دو تکنیک ارائه می‌دهند. مشاهده‌شونده‌ها در دو آزمایش مذکور- 𝜀′′(𝜈) در استراحت دی‌الکتریک و S(Q,𝜈) در پراکندگی نوترونی- مستقیماً به یکدیگر مربوط هستند: S(Q,𝜈) می‌تواند به قابلیت دی‌الکتریک، 𝜒′′(Q,𝜈)=(𝜈∕K_BT)⋅S(Q,𝜈) که در آن، K_B ثابت بولتسمن و T دمای مطلق است، مرتبط باشد. 𝜒′′(Q,𝜈) معادل 𝜀′′(𝜈) ، بخش مجازی ثابت دی‌الکتریک که در استراحت دی‌الکتریک اندازه‌گیری می‌شود است.

ویژگی اصلی اندازه‌گیری‌های استراحت دی‌الکتریک، وجود پیک در 𝜀′′(𝜈) است که در بسامد 20 GHz قرار دارد. این پیکِ معروف دیبای Debye peak است که نشان می‌دهد که استراحت جمعی گشتاور ماکروسکپی دو قطبی در مقیاس زمانی 8.3 ps (شکل 2 ) اتفاق می‌افتد. آلبی و همکاران اکنون آزمایش‌های پراکندگی نوترونی همدوس و ناهمدوس انجام داده‌اند تا ریشه‌های مولکولی این استراحت را بهتر بفهمند. نویسندگان نشان می‌دهند که وقتی قابلیت پراکندگی نوترونی (ناهمدوس) در Q=7 nm^-1 اندازه‌گیری می‌شود، همان پیک در H₂O مشاهده می‌شود. وابستگی موقعیت پیک به Q دلالت بر آن دارد که استراحت دو قطبی مرتبط است به پخش مولکولی، از این رو، مقیاس طولی استراحت دو قطبی جمعی را محیا می‌کند. پژوهشگران نتیجه می‌گیرند که دینامیک 8.3 پیکوثانیه‌ای به خاطر حرکت اتم‌ها در مسیرهای نسبتاً دراز (0.34 nm ) است که قابل قیاس یا کمی بزرگ‌تر از فواصل بین مولکولی هستند.

مانند آزمایش‌هایی که پیرامون استراحت دی‌الکتریک انجام شد، آزمایش پراکندگی نوترونی نویسنده همچنین دو پیک کوچکتر در حوزه THz را نمایان می‌کند، در حوزه بسامد بالا که استراحت دی‌الکتریک به سختی به آن دسترسی دارد. از آنجا که موقعیت پیک‌ها با Q تغییر نمی‌کند، آنها مربوط به حرکت موضعی هستند. پیکی که در بالاترین فرکنس قرار دارد (حدود 2 THz ) مربوط می‌شود به خم شدن زنجیره‌های سه مولکولی اکسیژن که با باندهای هیدروژن به یکدیگر متصل‌اند (O-O-O ). پیک دیگر در بسامدهای متوسط (حدود 0.15 THz ) کشف تازه این آزمایش است. این پیک حاصل فرایندهای موضعی‌ست- حرکت‌های اتم‌های هیدروژن که، هنگامی که اتصال‌های بین مولکولی در مقیاس زمانی پیکو ثانیه می‌شکنند و دوباره شکل می‌گیرند، به وقوع می‌پیوندد. با جدا کردن سهم اتم‌های اکسیژن و هیدروژن در داده‌های مربوط به پراکندگی، پژوهشگران نشان می‌دهند که در مقیاس‌های زمانی بین 0.1 تا 1 پیکوثانیه، اتم هیدروژن در یک "قفس" در اندازه‌ی 0.05nm حرکت می‌کند. چنین اندازه‌ای مربوط می‌شود به دامنه ارتعاش یا جابه‌جایی اتم‌های هیدروژن – دامنه‌ای که بسیار کوچک‌تر است از فاصله بین مولکولی که به طور متوسط 0.28nm است.

این نتایج حضور دو فرایند مولکولی دینامیک را در آب مایع تایید می‌کنند. این فرایندها مربوط هستند به پخش مولکول‌ها و حرکت‌های موضعی، که به ترتیب در ارتباط‌ هستند با تشکیل و شکستن پیوندهای هیدروژن. همان گونه که نویسندگان اشاره می‌کنند، این تصویر شبیه است به تصویری که در پولیمرها مشاهده شده است و همچنین تصویر مدل نظری که برای آب مایع پیشنهاد شده بود، که دو نوع استراحت را مطرح می‌کند (به نام‌های 𝛼 و 𝛽 ) که در مقیاس‌های متفاوت فضایی و زمانی به وقوع می‌پیوندند.

یکی از جنبه‌های مهم این کار این است که نتایج آن هیچ تکیه بر شبیه‌سازی‌های دشوار یا مدل‌های پیچیده‌ی کامپیوتری آب ندارند، بلکه تنها از داده‌های آزمایشی استنتاج شده‌اند. برای ادامه کار آربی و همکاران، روند طبیعی کار، ادامه تحقیق در دماهای دیگر است. از آنجا که انتظار می‌رود فرایندهای استراحت 𝛼 و 𝛽 به شکل‌های بسیار متفاوت تحت تاثیر دما قرار ‌گیرند، شفاف سازی وابستگی دمایی آنها به پژوهشگران کمک خواهد کرد دینامیک مولکولی مربوط به هر یک از این فرایندها را مشخص کنند، که این کار کلیدی ا‌ست برای توضیح رفتار منحصر به فرد آب.

خوزه تکسیرا

منبع: http://physics.aps.org/articles/v9/122