I det første, forskere fanger en kvantebugsering mellem tilstødende vandmolekyler

Vand er den mest rigelige, men mindst forståede væske i naturen. Det udviser mange mærkelige adfærd, som videnskabsmænd stadig kæmper for at forklare. Mens de fleste væsker bliver tættere, når de bliver koldere, vand er mest tæt ved 39 grader Fahrenheit, lige over frysepunktet. Det er grunden til, at is flyder til toppen af ​​et drikkeglas, og søer fryser fra overfladen og ned, tillader havlivet at overleve kolde vintre. Vand har også en usædvanlig høj overfladespænding, tillader insekter at gå på overfladen, og stor kapacitet til at lagre varme, holde havtemperaturerne stabile.

Nu, et team, der omfatter forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University og Stockholms universitet i Sverige har gjort den første direkte observation af, hvordan brintatomer i vandmolekyler slæber og skubber tilstødende vandmolekyler, når de er begejstrede med laserlys. Deres resultater, udgivet i Natur i dag, afsløre effekter, der kunne underbygge nøgleaspekter af den mikroskopiske oprindelse af vands mærkelige egenskaber og kunne føre til en bedre forståelse af, hvordan vand hjælper proteiner med at fungere i levende organismer.

"Selvom denne såkaldte nukleare kvanteeffekt er blevet antaget at være kernen i mange af vandets mærkelige egenskaber, dette eksperiment er første gang, det nogensinde blev observeret direkte, "sagde studiesamarbejder Anders Nilsson, professor i kemisk fysik ved Stockholms universitet. "Spørgsmålet er, om denne kvanteeffekt kunne være det manglende led i teoretiske modeller, der beskriver vandets uregelmæssige egenskaber."

Hvert vandmolekyle indeholder et iltatom og to brintatomer, og en bane af hydrogenbindinger mellem positivt ladede hydrogenatomer i et molekyle og negativt ladede oxygenatomer i nabomolekyler holder dem alle sammen. Dette indviklede netværk er drivkraften bag mange af vands uforklarlige egenskaber, men indtil for nylig, forskere var ikke i stand til direkte at observere, hvordan et vandmolekyle interagerer med sine naboer.

"Den lave masse af hydrogenatomerne fremhæver deres kvantebølgelignende adfærd, " sagde samarbejdspartner Kelly Gaffney, en videnskabsmand ved Stanford Pulse Institute ved SLAC. "Denne undersøgelse er den første til direkte at demonstrere, at hydrogenbindingsnettets reaktion på en impuls af energi kritisk afhænger af den kvantemekaniske karakter af, hvordan hydrogenatomerne er fordelt, som længe har været foreslået at være ansvarlig for vandets unikke egenskaber og dets hydrogenbindingsnetværk. "

Elsk din næste

Indtil nu, at gøre denne observation har været udfordrende, fordi hydrogenbindingernes bevægelser er så små og hurtige. Dette eksperiment overvandt dette problem ved at bruge SLACs MeV-UED, et højhastigheds "elektronkamera", der registrerer subtile molekylære bevægelser ved at sprede en kraftig elektronstråle fra prøver.

Forskerholdet skabte 100 nanometer tykke stråler af flydende vand - omkring 1, 000 gange tyndere end bredden på et menneskehår - og sæt vandmolekylerne vibrerende med infrarødt laserlys. Derefter sprængte de molekylerne med korte pulser af elektroner med høj energi fra MeV-UED.

Dette genererede højopløselige øjebliksbilleder af molekylernes forskydende atomstruktur, som de lagde sammen til en stop-motion film om, hvordan netværket af vandmolekyler reagerede på lyset.

Snapshots, som fokuserede på grupper af tre vandmolekyler, afslørede, at når et ophidset vandmolekyle begynder at vibrere, dets brintatom slæber iltatomer fra tilstødende vandmolekyler tættere, før de skubber dem væk med sin nyfundne styrke, udvide rummet mellem molekylerne.

"I lang tid, forskere har forsøgt at forstå hydrogenbindingsnetværket ved hjælp af spektroskopiteknikker, "sagde Jie Yang, en tidligere SLAC -videnskabsmand og nu professor ved Tsinghua University i Kina, der ledede undersøgelsen. "Det smukke ved dette eksperiment er, at vi for første gang var i stand til direkte at observere, hvordan disse molekyler bevæger sig."

Et vindue på vandet

Forskerne håber at kunne bruge denne metode til at få mere indsigt i kvintens natur af hydrogenbindinger og den rolle, de spiller i vandets mærkelige egenskaber, såvel som nøglerollen disse egenskaber spiller i mange kemiske og biologiske processer.

"Dette har virkelig åbnet et nyt vindue til at studere vand, "sagde Xijie Wang, en fornem personale fra SLAC og undersøgelsessamarbejder. "Nu hvor vi endelig kan se hydrogenbindinger bevæge sig, vi vil gerne forbinde disse bevægelser med det bredere billede, som kunne belyse, hvordan vand førte til livets oprindelse og overlevelse på Jorden og informere udviklingen af ​​metoder til vedvarende energi. "

MeV-UED er et instrument i LCLS-brugerfaciliteten, drives af SLAC på vegne af DOE Office of Science, som finansierede denne forskning.