У 2016 році фізики 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.
Берил, – мінерал із хімічною формулою Be3Al2Si6O18 – утворює дуже тонкі й протяжні канали, які можуть наповнюватися водою. У цих каналах існують звуження, “камери” діаметром у 0,5 і довжиною в 0,9 нанометрів, у яких може поміститися лише одна молекула H2O.
Попередні спостереження за допомогою спектроскопії в терагерцовому діапазоні показали, що молекули води всередині берилових нанокапілярів, можливо, беруть участь у тунелюванні, тобто можуть “перестрибувати” між різними квантовими станами. Однак доказів тунелювання і розуміння його механізму в даному 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 ab initio (з перших принципів – тобто моделювання включало квантові ефекти). У своїй статті дослідники описують, як їм вдалося не тільки передбачити появу піків, що точно відповідають енергіям переходів між різними орієнтаціями однієї молекули води, а й 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 із зібраними даними, має такий вигляд. Канал, усередині якого перебуває молекула, має шість граней. Атом кисню в молекулі води знаходиться майже в центрі каналу, а пара воднів звернена до однієї з шести стінок. З енергетичного погляду орієнтація на будь-яку з шести стінок є рівноймовірною, але ось провернутися всередині каналу і перейти з однієї орієнтації в іншу молекула води не може – надто вузький канал, потрібно занадто багато енергії.
Саме тут і проявляється ефект квантового тунелювання, сліди якого фізики раніше помічали в терагерцових 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 спричиняє і макроскопічні ефекти – у води у берилі, наприклад, пропадає дипольний момент. Зазвичай він викликається тим, що водні (які заряджені частково позитивно) дивляться в один бік, а атом кисню (який заряджений частково негативно) – в інший. Однак у “бериловій воді” всі водню делокалізовано і молекула не має позитивно й негативно заряджених частин. Оскільки багато властивостей води (наприклад, висока енергія випаровування і здатність до розчинення) залежать безпосередньо від дипольного моменту, такий стан води виглядає вельми незвично. Хоч його і неможливо перенести з капілярів у 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.