Potentielle energioverflader af vand kortlagt for første gang

Vand er uden tvivl den mest kendte væske i verden. Det spiller en afgørende rolle i alle biologiske og mange kemiske processer. Vandmolekylerne selv rummer næppe nogen hemmeligheder. I skolen lærer vi, at vand består af et oxygenatom og to brintatomer. Vi kender endda den typiske stumpe vinkel, som de to O-H-ben danner med hinanden. Derudover ved vi, hvornår vand koger eller fryser, og hvordan disse faseovergange hænger sammen med tryk.

Men mellem fakta om enkelte molekyler og en dybere forståelse af de makroskopiske fænomener er der et stort usikkerhedsområde:Kun statistiske oplysninger kendes om de enkelte molekylers adfærd i normalt flydende vand. Vandmolekylerne i væskefasen danner et fluktuerende netværk af hydrogenbindinger, uordnede og tætte, og deres vekselvirkninger er slet ikke så velforståede som i gasform.

Rent flydende vand undersøgt

Nu har et hold ledet af HZB-fysiker Dr. Annette Pietzsch kigget nærmere på rent flydende vand ved stuetemperatur og normalt tryk. Ved hjælp af røntgenanalyse ved den schweiziske lyskilde fra Paul Scherrer Institute og statistisk modellering er det lykkedes forskerne at kortlægge de såkaldte potentielle energioverflader af de enkelte vandmolekyler i grundtilstanden, som kommer i en lang række forskellige former. afhængigt af deres miljø.

Oscillationer og vibrationer målt

"Det særlige her er metoden:vi studerede vandmolekylerne på ADRESS-strålelinjen ved hjælp af resonant uelastisk røntgenspredning. Kort sagt skubbede vi enkelte molekyler meget forsigtigt og målte derefter, hvordan de faldt tilbage i grundtilstanden," siger Pietzsch . Lavenergi-excitationerne førte til strækoscillationer og andre vibrationer, som - kombineret med modelberegninger - producerede et detaljeret billede af de potentielle overflader.

"Dette giver os en metode til eksperimentelt at bestemme energien af ​​et molekyle som en funktion af dets struktur," forklarer Pietzsch. "Resultaterne hjælper med at oplyse kemien i vand, for eksempel for bedre at forstå, hvordan vand opfører sig som opløsningsmiddel."

Resultaterne blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Outlook:METRIXS på BESSY II

De næste eksperimenter er allerede planlagt ved BESSY II røntgenkilden ved HZB. Der har Annette Pietzsch og hendes team oprettet METRIXS-målestationen, som er designet netop til at undersøge væskeprøver med RIXS-forsøg. "Efter sommernedlukningen på grund af vedligeholdelsesarbejde på BESSY II, starter vi med de første test af vores instrumenter. Og så kan vi komme videre." + Udforsk yderligere

Måling af kemi:Lokalt fingeraftryk af hydrogenbinding fanget i eksperimenter