L'acqua liquida è considerata la pietra angolare della vita e possiede molte straordinarie proprietà fisiche e biochimiche. La rete di legami idrogeno dell'acqua liquida è ampiamente riconosciuta per svolgere un ruolo cruciale in queste proprietà. A causa della complessità delle interazioni intermolecolari e della grande sovrapposizione spettrale dei modi rilevanti, lo studio della dinamica del legame idrogeno è impegnativo. Negli ultimi anni, liquidi eccitanti in risonanza con onde terahertz (THz) fornisce una nuova prospettiva per esplorare l'evoluzione transitoria del movimento molecolare a bassa frequenza. Però, l'acqua ha un grande coefficiente di assorbimento nella banda THz, l'applicazione della tecnica dell'effetto Kerr indotto da THz nella ricerca dinamica del legame idrogeno è rimasta impegnativa.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Yuejin Zhao del Beijing Key Laboratory for Precision Optoelectronic Measurement Instrument and Technology, Scuola di Ottica e Fotonica, Istituto di tecnologia di Pechino, Cina; Professor Liangliang Zhang del Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Technology e Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics (MoE), Dipartimento di Fisica, Università Normale della Capitale, Cina; e collaboratori hanno utilizzato un impulso THz intenso ea banda larga per eccitare in modo risonante le modalità intermolecolari dell'acqua liquida e hanno ottenuto segnali di birifrangenza transitoria indotta dal campo THz bipolare adottando un film d'acqua a flusso libero.

Hanno proposto un modello di oscillatore armonico del legame idrogeno associato alla suscettibilità dielettrica e l'hanno combinato con l'equazione dinamica di Lorentz per studiare la struttura intermolecolare e la dinamica dell'acqua liquida. Principalmente scompongono i segnali bipolari in un segnale positivo causato dalla vibrazione di allungamento del legame idrogeno e un segnale negativo causato dalla vibrazione di flessione del legame idrogeno, indicando che la perturbazione della polarizzabilità dell'acqua presenta contributi concorrenti in condizioni di flessione e stiramento. I risultati forniscono un'evoluzione intuitiva e risolta nel tempo dell'anisotropia di polarizzabilità, che può riflettere i modi intermolecolari dell'acqua liquida sulla scala del sub-picosecondo.

Le onde THz possono eccitare in modo risonante uno o più modi di movimento molecolare nei liquidi, che è un potente strumento per esplorare la dinamica molecolare a bassa frequenza. Questi scienziati riassumono il principio del loro lavoro:

"Abbiamo usato un campo elettrico THz per eccitare in modo risonante i modi intermolecolari dell'acqua liquida. La rotazione transitoria di una molecola produce un momento di dipolo indotto, che trasferisce immediatamente l'impulso guidato dal campo THz al movimento traslazionale ristretto delle molecole d'acqua adiacenti. Questo movimento di traslazione può essere assegnato a una modalità di piegatura e a una modalità di allungamento, che può portare alle componenti di polarizzabilità anisotropia perpendicolare e parallela ai legami idrogeno, rispettivamente, risultando così in prestazioni bidirezionali."

"Nell'esperimento, un'intensa sorgente di eccitazione THz e un film d'acqua fluente ultrasottile che sostituisce le cuvette tradizionali sono la base per ottenere segnali di alta qualità." hanno aggiunto.

"La dinamica ultraveloce del legame idrogeno intermolecolare dell'acqua rivelata da un impulso di pompa THz a banda larga può fornire ulteriori informazioni sulla struttura transitoria dell'acqua liquida corrispondente alle modalità pertinenti. Questa scoperta potrebbe aprire una nuova sede per rilevare i meccanismi fisici della fase gassosa di acqua e ghiacci cristallini e amorfi, così come la complessa interazione dei reagenti con le molecole d'acqua del solvente, " concludono gli scienziati.