Ny undersøgelse afslører, hvordan vanddynamikken bremses ved lave temperaturer

En videnskabsmand ved Institut for Molekylær Videnskab har offentliggjort en undersøgelse, der giver indsigt i det forvirrende fænomen med dynamisk afmatning i underafkølet vand, et væsentligt skridt i retning af at forstå glasovergangen i væsker.

Undersøgelsen, "Unraveling the dynamic slowdown in supercooled water:The role of dynamic disorder in jump motions," udforsker de mikroskopiske mekanismer, der styrer vands dynamiske adfærd, når det afkøles under frysepunktet uden at danne is. Undersøgelsen er publiceret i The Journal of Chemical Physics .

Når vandet er underafkølet, udviser det en betydelig dynamisk afmatning uden nogen synlige strukturelle ændringer. I denne forskning studeres springdynamikken af ​​vandmolekyler, som er elementære processer for strukturelle ændringer, ved hjælp af molekylære dynamiksimuleringer. Resultaterne viser, at denne dynamik afviger fra den forventede Poisson-statistik på grund af dynamisk uorden, når temperaturen falder.

Dynamisk lidelse refererer til konkurrencen mellem langsomme variabler og molekylers springbevægelser. Forskeren identificerede forskydningen af ​​det fjerde-nærmeste iltatom i et springmolekyle som den langsomme variabel, der konkurrerer med springbevægelsen ved lavere temperaturer. Denne forskydning finder sted i et fluktuerende miljø ud over den første hydreringsskal og påvirker springdynamikken dybt.

Efterhånden som temperaturen falder, bliver vandmolekylernes dynamik stadig mere langsom og intermitterende, da molekylerne er fanget i udvidede, stabile domæner med lav tæthed. Med yderligere afkøling bliver interaktionerne mellem molekyler mere samarbejdsvillige, hvilket øger kompleksiteten og dimensionaliteten af ​​springdynamikken.

Denne forskning uddyber vores forståelse af underafkølet vand og danner grundlag for fremtidige undersøgelser af væskens molekylære dynamik, der nærmer sig glasovergange. Glasovergangsprocesser er relevante i en lang række applikationer.

Derfor vil anvendelsen af ​​metoderne udviklet i denne undersøgelse give indsigt i, hvordan slowmotion af forskellige materialer kan føre til glasovergange. Desuden baner denne undersøgelse vejen for fremtidig forskning for at belyse den komplekse dynamik i andre systemer, såsom proteiner.