Новый метод позволяет заглянуть «внутрь» микроскопической структуры воды

Иллюстрация механизма IRD: вакансия в ионе (синий) заполняется электроном от соседней молекулы воды, что делает процесс высокочувствительным к локальной сольватной оболочке. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65581-7

Вода необходима для всей химии и жизни, однако понимание того, как она взаимодействует с растворенными ионами, такими как натрий и магний, долгое время оставалось серьезной научной проблемой.

Международная исследовательская группа под руководством Уппсальского университета, в которую вошел Чжун Инь, доцент Университета Тохоку, разработала рентгеновскую методику, позволяющую непосредственно исследовать электронную структуру сольватной оболочки — первого слоя молекул воды, окружающего ион в растворе.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, сообщает о первом наблюдении процесса, называемого межмолекулярным радиационным распадом (IRD), в жидкостях.

В этом явлении, когда ион в воде ионизируется рентгеновскими лучами, электрон из соседней молекулы воды заполняет вакансию во внутренней оболочке иона, а высвобождаемая энергия испускается в виде рентгеновского фотона. Этот испущенный фотон несет отчетливый «отпечаток» непосредственного окружения иона, позволяя исследователям, по сути, зондировать сольватную оболочку «изнутри».

«Сольватная оболочка определяет, как ионы ведут себя в воде, влияя на всё — от биологических функций до коррозии и химии батарей», — говорит ведущий автор Йохан Сёдерстрем. «Наше открытие показывает, что рентгеновские лучи теперь можно использовать для прямого выявления электронной структуры этой критически важной пограничной области».

Используя синхротронное излучение в лаборатории MAX IV в Лунде (Швеция), команда исследовала водные растворы ионов натрия и магния. Анализируя испущенные рентгеновские фотоны, они выявили отчетливые спектральные сигнатуры, происходящие от соседних молекул воды, — явное свидетельство недавно открытого процесса IRD.

Теоретическое моделирование дополнительно подтвердило, что IRD возникает из-за слабой гибридизации орбиталей между ионом и окружающими молекулами воды. Примечательно, что процесс чувствителен только к первой сольватной оболочке, что делает IRD уникально селективным зондом для изучения локальных химических сред в жидкостях.

«Это «радиационный кузен» хорошо известного межмолекулярного кулоновского распада, — поясняет старший автор Олле Бьёрнехольм. — Но в отличие от методов, основанных на электронах, IRD испускает рентгеновские лучи, которые могут выходить из глубины жидкости, что позволяет нам исследовать объемные свойства раствора».

«Межмолекулярный кулоновский распад — это хорошо известный нелокальный канал распада и важный источник медленных электронов, которые особенно интересны из-за их способности вызывать разрывы цепей ДНК. Нам было интересно, может ли существовать аналогичный процесс для фотонов», — говорит Чжун Инь.

Помимо натрия и магния, исследователи также показали, что IRD наблюдается и в других системах, включая ионы переходных металлов и анионы, что позволяет предположить, что это явление носит общий характер и потенциально может изменить подход к изучению водной и биологической химии.

Это открытие прокладывает путь для элементно-специфичных и сайт-специфичных исследований структуры сольватации, химической связи и сверхбыстрой динамики в жидкостях с использованием передовых источников синхротронного излучения и лазеров на свободных электронах.

Дополнительная информация: Johan Söderström et al, Non-local X-ray intermolecular radiative decay probes solvation shell of ions in water, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65581-7

Источник: Tohoku University