Røntgenstråler indikerer, at vand kan opføre sig som en flydende krystal

Forskere ved Stockholm Universitet har opdaget, at vand kan udvise en lignende adfærd som en flydende krystal, når det belyses med laserlys. Denne effekt stammer fra justeringen af ​​vandmolekyler, som udviser en blanding af lav- og højdensitetsdomæner, der er mere eller mindre tilbøjelige til alignment. Resultaterne, rapporteret i Physics Review Letters , er baseret på en kombination af eksperimentelle undersøgelser ved hjælp af røntgenlasere og molekylære simuleringer.

Flydende krystaller blev betragtet som blot en videnskabelig kuriosum, da de først blev opdaget i 1888. Over 100 år senere, de er en af ​​de mest anvendte teknologier, findes i digitale skærme (LCD'er) af ure, Tv og computerskærme. Flydende krystaller virker ved at påføre et elektrisk felt, som får de tilstødende molekyler i en væske til at justere, på en måde, der ligner en krystal. Vand kan også forvrænges til en flydende krystal, når den er belyst med laserlys. Det er kendt, at laserens elektriske felt kan justere vandmolekylerne i mindre end en milliardtedel af et sekund. Kan denne opdagelse have fremtidige teknologiske anvendelser?

Et internationalt team af forskere ved fysikafdelingen ved Stockholms universitet udførte eksperimenter på Japans røntgenfri-elektronlaser SACLA og undersøgte for første gang dynamikken i forbigående orienterede molekyler ved hjælp af røntgenpulser. Denne teknik, er afhængig af at justere molekylerne med en laserpuls (med bølgelængde λ =800 nm) og sondering af justeringen med røntgenpulser, som gør det muligt i realtid at se ændringerne i strukturen på et molekylært niveau. Ved at variere tiden mellem laser- og røntgenimpulserne, forskerne var i stand til at løse den tilpassede tilstand, som kun lever for 160 fs.

"Det er kendt, at vandmolekylerne er justeret på grund af polariseringen af ​​laserpulsen" forklarer Kyung Hwan Kim, tidligere forsker ved Stockholm Universitet og i øjeblikket adjunkt ved POSTECH University i Korea, "det er dog en unik evne at være i stand til at bruge røntgenlasere til at se den molekylære justering i realtid."

"Røntgenstråler er perfekte til at sondere molekyler, fordi deres bølgelængde matcher de molekylære længdeskalaer" siger Dr. Alexander Späh, tidligere ph.d.-studerende i fysik ved Stockholms universitet, og er i øjeblikket postdoc ved Stanford University. "Jeg nyder virkelig at have muligheden for at bruge state-of-the-art røntgenfaciliteter til at undersøge fundamentale spørgsmål, der kunne have fremtidige teknologiske anvendelser."

Eksperimenterne var godt gengivet ved molekylære simuleringer, hvilket gav et indblik i den underliggende justering mekanisme. Ved at antage, at vand opfører sig som en to-tilstands væske, bestående af høj- og lavdensitetsvæske (HDL og LDL) domæner, forskerne opdagede, at hvert domæne viser en anden tendens til at tilpasse sig.

"Vandmolekyler i LDL-regionerne har stærkere hydrogenbindingsnetværk, hvilket gør molekylerne lettere at reagere på det stærke laserfelt ”forklarer Anders Nilsson, professor i kemisk fysik ved Stockholms universitet. "Det ville være fascinerende at måle levetiden for den molekylære justering i det superkølede regime, hvor alt forventes at bremse dramatisk”.

"At være i stand til at forstå vand på molekylært niveau ved at se ændringerne i hydrogenbindingsnetværket, kan spille en stor rolle i biologisk aktivitet," siger Fivos Perakis, adjunkt i fysik ved Stockholms universitet. "Jeg er nysgerrig efter at se, om den observerede tilpasning kan føre til teknologiske anvendelser i fremtiden, fx i forbindelse med vandrensning og afsaltning”.