El agua líquida se considera la piedra angular de la vida y tiene muchas propiedades físicas y bioquímicas extraordinarias. Se reconoce ampliamente que la red de enlaces de hidrógeno del agua líquida juega un papel crucial en estas propiedades. Debido a la complejidad de las interacciones intermoleculares y la gran superposición espectral de los modos relevantes, el estudio de la dinámica del enlace de hidrógeno es un desafío. En años recientes, La excitación de líquidos resonantes con ondas de terahercios (THz) proporciona una nueva perspectiva para explorar la evolución transitoria del movimiento molecular de baja frecuencia. Sin embargo, el agua tiene un gran coeficiente de absorción en la banda de THz, La aplicación de la técnica del efecto Kerr inducido por THz en la investigación dinámica de enlaces de hidrógeno sigue siendo un desafío.

En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Yuejin Zhao del Laboratorio clave de Beijing para instrumentos y tecnología de medición optoelectrónica de precisión, Escuela de Óptica y Fotónica, Instituto de tecnología de Beijing, Porcelana; Profesor Liangliang Zhang del Centro de Innovación Avanzada de Beijing para Tecnología de Imágenes y Laboratorio Clave de Optoelectrónica Terahertz (MoE), Departamento de Física, Universidad Capital Normal, Porcelana; y compañeros de trabajo utilizaron un pulso THz intenso y de banda ancha para excitar de manera resonante los modos intermoleculares de agua líquida y obtuvieron señales de birrefringencia transitorias inducidas por el campo THz bipolar mediante la adopción de una película de agua que fluye libremente.

Propusieron un modelo de oscilador armónico de enlace de hidrógeno asociado con la susceptibilidad dieléctrica y lo combinaron con la ecuación dinámica de Lorentz para investigar la estructura intermolecular y la dinámica del agua líquida. Principalmente descomponen las señales bipolares en una señal positiva causada por la vibración de estiramiento del enlace de hidrógeno y una señal negativa causada por la vibración de flexión del enlace de hidrógeno. indicando que la perturbación de polarizabilidad del agua presenta contribuciones competitivas bajo condiciones de flexión y estiramiento. Los resultados proporcionan una evolución intuitiva resuelta en el tiempo de la anisotropía de polarización, que puede reflejar los modos intermoleculares del agua líquida en la escala de subpicosegundos.

Las ondas THz pueden excitar resonantemente uno o varios modos de movimiento molecular en líquidos, que es una poderosa herramienta para explorar la dinámica molecular de baja frecuencia. Estos científicos resumen el principio de su trabajo:

"Usamos un campo eléctrico de THz para excitar de manera resonante los modos intermoleculares del agua líquida. La rotación transitoria de una molécula produce un momento dipolar inducido, que transfiere inmediatamente el impulso impulsado por el campo THz al movimiento de traslación restringido de las moléculas de agua adyacentes. Este movimiento de traslación se puede asignar a un modo de flexión y a un modo de estiramiento, que puede conducir a los componentes de polarizabilidad anisotropía perpendicular y paralela a los enlaces de hidrógeno, respectivamente, lo que resulta en un rendimiento bidireccional ".

"En el experimento, una fuente de excitación intensa de THz y una película de agua que fluye ultradelgada que reemplaza a las cubetas tradicionales son la base para lograr señales de alta calidad ”, agregaron.

"La dinámica ultrarrápida del enlace de hidrógeno intermolecular del agua revelada por un pulso de bomba de THz de banda ancha puede proporcionar más información sobre la estructura transitoria del agua líquida correspondiente a los modos pertinentes. Este avance podría abrir un nuevo espacio para detectar los mecanismos físicos de la fase gaseosa de agua y helados cristalinos y amorfos, así como la compleja interacción de reactivos con moléculas de agua solvente, "concluyen los científicos.