Nye eksperimenter og simuleringer afslører molekylære interaktioner i ekstreme faser af vandis

Vand er overalt. Men det er ikke det samme alle steder. Når den er frosset under ekstreme tryk og temperaturer, is indtager en række komplekse krystallinske strukturer.

Mange af egenskaberne og adfærden ved disse eksotiske is forbliver mystiske, men et hold forskere har for nylig givet ny forståelse. De analyserede, hvordan vandmolekyler interagerer med hinanden i tre istyper og fandt, at interaktionerne var stærkt afhængige af molekylernes orientering og isens overordnede struktur. Forskerne beskriver deres resultater i The Journal of Chemical Physics .

"Det nye arbejde har givet os en spektakulær ny indsigt i, hvordan vandmolekyler opfører sig, når de pakkes i tætte og strukturelt komplekse miljøer, "sagde Christoph Salzmann fra University College London." I sidste ende, denne viden vil sætte os i stand til at forstå flydende vand såvel som vand omkring biomolekyler på en meget bedre måde. "

Vand er, selvfølgelig, afgørende for livet, som vi kender det. Men det er også unikt på grund af dets bøjede molekylære form, med to brintatomer hængende fra et oxygenatom i en vinkel. Det samlede molekyle har en elektrisk polaritet, med positivt og negativt ladede sider. På grund af disse egenskaber, vandmolekyler kan passe sammen på forskellige måder, når de størkner til is.

Da vand typisk fryser på jorden, molekylerne samles til et gitter med strukturelle enheder formet sekskanter. Men ved ekstremt høje tryk og lave temperaturer, molekylerne kan arrangere sig selv på mere komplekse måder, danner 17 forskellige faser - hvoraf nogle kan eksistere på de iskolde måner på de ydre planeter.

Selvom selve strukturerne er kendt, forskere forstår endnu ikke helt, hvordan molekylerne interagerer og påvirker hinanden, sagde Peter Hamm fra universitetet i Zürich. I disse isfaser, molekylerne er bundet sammen, påvirke hinanden, som om de alle var forbundet med fjedre.

For at forstå disse interaktioner, Salzmann, Hamm og deres team brugte 2-D infrarød spektroskopi på tre isfaser med forskellige strukturer:ice II, is V og is XIII. I denne metode, de affyrede en sekvens af ultrakorte infrarøde laserpulser for at ophidse de molekylære bindinger i isen, får dem til at vibrere.

Når molekylvibrationerne sætter sig tilbage til en lavere energitilstand, molekylet udsender lys ved infrarøde frekvenser. Ved at måle, hvordan intensiteten af ​​den infrarøde emission afhænger af frekvenserne for både pulsen og den udsendte stråling-producerende 2-D-spektre-kan forskerne bestemme, hvordan molekylerne interagerer med hinanden.

Efter at have indsamlet data om isen, hvoraf nogle måtte fryses ved under -200 grader Celsius og ved tryk flere tusinde gange atmosfæren ved havets overflade, forskerne brugte computersimuleringer af molekylære interaktioner til at hjælpe med at fortolke deres resultater. Mens simuleringerne matchede dataene for is II, det gjorde de ikke for is V og XIII, hvilket taler til systemets kompleksitet.

Stadig, indsigt fra denne form for analyse kan hjælpe med at informere computersimuleringer, der bruges til at modellere biologiske molekylers adfærd som proteiner, som normalt er omgivet af vand.

"Vandis er vigtig, og vi skal være i stand til at forstå det på et meget mikroskopisk niveau, "Sagde Hamm." Så kan vi bedre forstå, hvordan vand interagerer med andre molekyler, og især biomolekyler. "