Røntgenlaser afslører ultrahurtig dans af flydende vand

Vand mangler farve, smag og lugt får det til at virke enkelt - og på molekylært plan, det er. Imidlertid, når mange vandmolekyler samles, danner de et meget komplekst netværk af hydrogenbindinger. Dette netværk menes at være ansvarligt for mange af de ejendommelige egenskaber ved flydende vand, men dens adfærd er endnu ikke fuldt ud forstået.

Nu har forskere undersøgt molekylers bevægelser i flydende vand, der forekommer på mindre end 100 milliontedele af en milliarddel af et sekund, eller femtosekunder. Et internationalt team ledet af forskere ved Stockholms universitet udførte eksperimenterne med Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. De offentliggjorde deres rapport i denne uge Naturkommunikation .

Undersøgelsen er den første til at "fotografere" vandmolekyler på denne tidsplan med en teknik kaldet ultrahurtig røntgenfotonkorrelationsspektroskopi, som hopper røntgenstråler pulser af molekylerne for at producere en række diffraktionsmønstre. Varierende varigheden af ​​røntgenpulser varierer i det væsentlige eksponeringstiden, og enhver bevægelse af vandmolekylerne under en eksponering vil sløre det resulterende billede. Ved at analysere sløringen forårsaget af forskellige eksponeringstider, forskerne var i stand til at udtrække information om den molekylære bevægelse.

På denne tidsplan, det blev antaget, at vandmolekyler bevæger sig tilfældigt på grund af varme, opfører sig mere som en gas end en væske. Imidlertid, eksperimenterne indikerer, at netværket af hydrogenbindinger spiller en rolle selv på denne ultrahurtige tidsskala, koordinere vandmolekylernes bevægelser i en indviklet dans, hvilket bliver endnu mere udtalt, når vandet "superkøles" under dets normale frysepunkt.

"Nøglen til at forstå vand på et molekylært niveau er at se ændringerne af hydrogenbindingsnetværket, som kan spille en stor rolle i biologisk aktivitet og liv, som vi kender det, siger Anders Nilsson, en professor ved Stockholms universitet og tidligere professor ved SLAC.

Tilføjer Stockholms universitetsforsker Fivos Perakis, "Det er en helt ny mulighed for at kunne bruge røntgenlasere til at se molekylers bevægelse i realtid. Dette kan åbne et helt nyt felt af undersøgelser på disse tidsskalaer, kombineret med den unikke strukturelle følsomhed af røntgenstråler. "

De eksperimentelle resultater blev gengivet ved computersimuleringer, som indikerer, at den koordinerede dans af vandmolekyler skyldes dannelsen af ​​forbigående tetraedriske strukturer.

"Jeg har studeret dynamikken i flydende og underafkølet vand i lang tid ved hjælp af computersimuleringer, og det er meget spændende endelig at kunne sammenligne direkte med eksperimenter, " siger Gaia Camisasca, en postdoktor ved Stockholm Universitet, der udførte computersimuleringerne til denne undersøgelse. "Jeg glæder mig til at se de fremtidige resultater, der kan komme ud af denne teknik, som kan hjælpe med at forbedre de nuværende vandcomputermodeller. "