Ny undersøgelse visualiserer bevægelse af vandmolekyler, lover ny bølge af elektroniske enheder

En ny tilgang til at studere viskositeten af ​​vand har afsløret ny indsigt om vandmolekylers adfærd og kan åbne veje for væskebaseret elektronik.

Et team af forskere ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory brugte en højopløselig uelastisk røntgenspredningsteknik til at måle den stærke binding, der involverer et hydrogenatom, der er klemt mellem to iltatomer. Denne hydrogenbinding er et kvantemekanisk fænomen, der er ansvarlig for forskellige egenskaber ved vand, herunder viskositet, som bestemmer en væskes modstand mod strømning eller til at ændre form.

Selvom vand er det mest rigelige stof på jorden, dets adfærd på et molekylært niveau er ikke godt forstået.

"På trods af alt hvad vi ved om vand, det er en mystisk, atypisk stof, som vi har brug for bedre at forstå for at låse op for dets enorme potentiale, især inden for informations- og energiteknologier, "sagde Takeshi Egami, University of Tennessee-ORNL Fremstående forsker/professor, der arbejder gennem Shull Wollan Center-et Joint Institute for Neutron Sciences, et ORNL-UT partnerskab.

Holdets undersøgelse, udgivet i Videnskab fremskridt , demonstreret, at det er muligt at undersøge real-space, real-time dynamik af vand og andre væsker. Tidligere undersøgelser har givet øjebliksbilleder af vandets atomstruktur, men lidt vides om, hvordan vandmolekyler bevæger sig.

"Brintbindingen har en stærk effekt på den dynamiske korrelation mellem molekyler, når de bevæger sig gennem rum og tid, men indtil videre data, for det meste ved optisk laserspektroskopi, gav brede eller 'disede' resultater med uklar specificitet, "Sagde Egami.

For et klarere billede, det fælles ORNL-UT-team anvendte en avanceret røntgenteknik kendt som uelastisk røntgenspredning for at bestemme molekylær bevægelse. De fandt ud af, at dynamikken i oxygen-til-iltbinding mellem vandmolekyler er, overraskende, ikke tilfældigt, men stærkt koordineret. Når forbindelsen mellem vandmolekyler forstyrres, de stærke hydrogenbindinger arbejder på at opretholde et stabilt miljø over en bestemt periode.

"Vi fandt ud af, at den tid, det tager for et molekyle at ændre sit" nabomolekyle ", bestemmer vandets viskositet, "Sagde Egami. Denne nye opdagelse ville stimulere yderligere undersøgelser af kontrol over viskositeten af ​​andre væsker.

Egami ser det nuværende arbejde som et springbræt til mere avanceret forskning, der vil udnytte neutronspredningsteknikker ved Spallation Neutron Source på ORNL, en DOE Office of Science brugerfacilitet, for yderligere at bestemme oprindelsen af ​​viskositet og andre dynamiske egenskaber for væsker.

Forskernes tilgang kunne også bruges til at karakterisere den ioniske molekylære adfærd og viskositet, eller salt, væsker og andre flydende stoffer, som ville hjælpe med udviklingen af ​​nye typer halvlederanordninger med flydende elektrolytisolerende lag, bedre batterier og forbedrede smøremidler.