Vloeibaar water wordt beschouwd als de hoeksteen van het leven en heeft vele buitengewone fysische en biochemische eigenschappen. Het wordt algemeen erkend dat het waterstofbruggennetwerk van vloeibaar water een cruciale rol speelt in deze eigenschappen. Vanwege de complexiteit van intermoleculaire interacties en de grote spectrale overlap van relevante modi, de studie van de dynamiek van waterstofbruggen is een uitdaging. In recente jaren, opwindende vloeistoffen die resoneren met terahertz (THz) -golven biedt een nieuw perspectief voor het verkennen van de voorbijgaande evolutie van laagfrequente moleculaire beweging. Echter, water heeft een grote absorptiecoëfficiënt in de THz-band, de toepassing van de THz-geïnduceerde Kerr-effecttechniek in dynamisch onderzoek naar waterstofbruggen is een uitdaging gebleven.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, geleid door professor Yuejin Zhao van Beijing Key Laboratory for Precision Optoelectronic Measurement Instrument and Technology, School voor optica en fotonica, Peking Instituut voor Technologie, China; Professor Liangliang Zhang van Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Technology en Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics (MoE), Afdeling Natuurkunde, Kapitaal Normale Universiteit, China; en collega's gebruikten een intense en breedband THz-puls om intermoleculaire vormen van vloeibaar water resonant te exciteren en verkregen bipolaire THz-veld-geïnduceerde transiënte dubbele brekingssignalen door een vrijstromende waterfilm aan te nemen.

Ze stelden een harmonisch-oscillatormodel voor waterstofbruggen voor dat verband houdt met de diëlektrische gevoeligheid en combineerden dit met de Lorentz-dynamische vergelijking om de intermoleculaire structuur en dynamica van vloeibaar water te onderzoeken. Ze ontleden voornamelijk de bipolaire signalen in een positief signaal veroorzaakt door rektrillingen van waterstofbruggen en een negatief signaal veroorzaakt door trilling door buigen van waterstofbruggen, wat aangeeft dat de polariseerbaarheidsverstoring van water concurrerende bijdragen levert onder buig- en rekomstandigheden. De resultaten bieden een intuïtieve, in de tijd opgeloste evolutie van polariseerbaarheidsanisotropie, die de intermoleculaire modi van vloeibaar water op de sub-picoseconde schaal kan weerspiegelen.

De THz-golven kunnen een of meerdere moleculaire bewegingsmodi in vloeistoffen resoneren, wat een krachtig hulpmiddel is voor het verkennen van laagfrequente moleculaire dynamica. Deze wetenschappers vatten het principe van hun werk samen:

"We gebruikten een elektrisch THz-veld om de intermoleculaire modi van vloeibaar water te resoneren. De tijdelijke rotatie van een molecuul produceert een geïnduceerd dipoolmoment, die het momentum aangedreven door het THz-veld onmiddellijk overdraagt ​​​​naar de beperkte translatiebeweging van aangrenzende watermoleculen. Deze translatiebeweging kan worden toegewezen aan een buigmodus en een rekmodus, wat kan leiden tot de componenten van polariseerbaarheid anisotropie loodrecht en evenwijdig aan de waterstofbruggen, respectievelijk, wat resulteert in bidirectionele prestaties."

"Bij de proef een intense THz-excitatiebron en een ultradunne stromende waterfilm die traditionele cuvetten vervangt, vormen de basis voor het bereiken van signalen van hoge kwaliteit", voegde ze eraan toe.

"De ultrasnelle intermoleculaire waterstofbindingsdynamiek van water die wordt onthuld door een breedband THz-pomppuls, kan meer inzicht verschaffen in de tijdelijke structuur van vloeibaar water die overeenkomt met de relevante modi. Deze doorbraak zou een nieuwe locatie kunnen openen voor het detecteren van de fysieke mechanismen van de gasfase van water en kristallijn en amorf ijs, evenals de complexe interactie van reagentia met oplosmiddelwatermoleculen, ’ concluderen de wetenschappers.