Mokslininkai jau seniai žino, kad lengvojo (H₂O) ir sunkiojo (D₂O) vandens struktūra yra panaši, bet ne identiška. Į pagalbą pasitelkę kvantinę mechaniką visai neseniai tyrėjai aptiko kelis iki šiol nežinomus šių dviejų vandens izotopų skirtumus.

Alanas Soperis (Alan Soper) iš Rezerfordo Epltono laboratorijos Oksfordšire (Jungtinė Karalystė) ir Krisas Benmoras (Chris Benmore) iš Argono nacionalinės laboratorijos Ilinojaus valstijoje (JAV) savo darbą išspausdino paskutiniajame žurnalo „Physical Review Letters“ numeryje.

Sunkusis vanduo D₂O yra įprastinio vandens H₂O izotopas: kiekvienas deuterio atomas turi papildomą neutroną (vandenilio atomas neutronų neturi), todėl šie lemia didesnį sunkiojo vandens tankį (apie 10 proc.). Tuo nesunku įsitikinti į stiklinę vandens įmetus sunkiojo vandens ledo kubelių, nes pastarieji tiesiog nusėstų ant dugno. Žvelgiant iš biologijos pusės, toks skirtumas reiškia, kad didelis sunkiojo vandens kiekis gali turėti neigiamą poveikį gyvūnams – pavyzdžiui, gerdamas vien tik D₂O žmogus numirtų per dvi savaites.

Savo darbe A. Soperis ir K. Benmoras nagrinėja lengvojo ir sunkiojo vandens skirtumus taikydami kvantinę mechaniką. Mokslininkai panaudojo įvairius tyrimo metodus – nuo Rentgeno spindulių bei neutronų difrakcijos iki kompiuterinio modeliavimo.

„Suprasti vandens sandarą ir savybes yra sudėtinga užduotis, nes vanduo skiriasi nuo daugelio įprastinių skysčių, be to, nėra paprasta gauti patikimus duomenis, – teigia A. Soperis. – Mūsų rezultatai yra reikšmingi tuo, kad teoretikai galės pradėti mąstyti apie tikslesnius vandens modelius, nes iki šiol nėra sutariama, kaip iš tikųjų viskas turėtų atrodyti“.

Mokslininkai išsiaiškino, kad H₂O turi ilgesnius vidinius OH ryšius už atitinkamus D₂O OD ryšius (0,03 angstromo arba 3 proc.), tačiau tarpmolekulinių ryšių ilgis yra pasiskirstęs priešingai (skirtumas sudaro 0,07 angstromo arba 4 proc.). Nei vienas iš šių ryšių ilgio skirtumų nebuvo aprašytas jokiame ankstesniame darbe.

Be to, kadangi OH/OD ir tarpmolekulinių ryšių skirtumas nėra vienodas (3 ir 4 proc.), skiriasi lengvojo ir sunkiojo vandens geometrinė sandara. Nors anksčiau atlikti tyrimai rodė, kad H₂O turėtų pasižymėti platesne struktūra, A. Soperis ir K. Benmoras išsiaiškino kelis konkrečius skirtumus, kurie prieštarauja ankstesnėms teorijoms.

Visų pirma, skiriasi gretimų molekulių vandenilio atomų tarpusavio atstumas (H₂O yra 2 proc. didesnis už D₂O). Antra, įprastinis vanduo pasižymi mažesniu vandenilio ryšių skaičiumi (vienai H₂O molekulei tenka 3,62, o vienai D₂O – 3,76). Visie šie skirtumai lemia platesnę lengvojo vandens ir siauresnę bei labiau tetraedrą primenančią sunkiojo vandens struktūrą.

Pasak A. Soperio, kai kuriuos netikėtus rezultatus gali gerokai pakoreguoti kompiuterinis modeliavimas. Mokslininkas teigia, kad vandenilio ryšio ilgį lemia nežymus elektronų judėjimas, šiek tiek paveikiantis protono (vandenilyje) arba deuterono padėtį. Kadangi protonas yra lengvesnis už deuteroną, jis užima aukštesnę padėtį kvantiniame potenciniame šulinyje.

„Jeigu potencinį šulinį paveikia priartėjusi vandens molekulė ir susidaro vandenilio ryšys, tuomet dėl aukštesnės protono padėties potenciniame šulinyje pastarąjį vandens molekulė paveiks kur kas labiau – jis bus labiau paslinktas deguonies atomo atžvilgiu, nes deuteronas nebus toks jautrus išoriniams poveikiams“, – aiškina mokslininkas. Šis reiškinys gali lemti OH ir OD ryšių ilgio skirtumą.

Tyrėjai taip pat kalba apie tai, kad tikslus lengvojo ir sunkiojo vandens sandaros išaiškinimas iš karto neduos apčiuopiamų rezultatų, tačiau padės kitų sričių mokslininkams pakoreguoti savo tyrimus.

„Nors iš viso to iš karto negausime jokios apčiuopiamos naudos, mūsų tyrimai leis teoretikams įsigilinti į šiuos gana netikėtus rezultatus, – pasakoja A. Soperis. – Be jokios abejonės, vanduo žmogui yra pati svarbiausia medžiaga. Nors mes galime tyrinėti ir tyrinėjame daugybę kitų medžiagų, vis dėlto vanduo dėl savo milžiniškos svarbos susilaukia daugiausia dėmesio“.

„Galiausiai, jeigu vandenį pažinsime geriau, bus kur kas lengviau nuspėti jo savybes – kalbame apie kristalų ir vandens lašelių formavimąsi, terpę, kurioje gali vystytis gyvybė, medžiagą, plačiai naudojamą pramonėje šildymui ir aušinimui, medžiagą, galinčią būti tirpikliu ir valikliu. Šis sąrašas begalinis!”, – prideda mokslininkas.