Hvordan to vandmolekyler danser sammen

Et internationalt forskerhold har fået ny indsigt i, hvordan vandmolekyler interagerer. En laser med særlig høj lysstyrke, som findes på FELIX-laboratoriet på Radboud Universitet, var nødvendig til forsøgene. Deres resultater hjælper til bedre at forstå vandets mærkelige egenskaber og er publiceret i Angewandte Chemie .

Selvom vand er allestedsnærværende, interaktionen mellem individuelle vandmolekyler er endnu ikke fuldt ud forstået. For første gang, forskerne var i stand til fuldstændigt at observere alle bevægelserne mellem vandmolekylerne, kendt som intermolekylære vibrationer. En vis bevægelse af individuelle vandmolekyler mod hinanden, kaldet hindrede rotationer, er særlig vigtig.

Ukendte interaktioner

Vand er det vigtigste opløsningsmiddel i kemi og biologi og besidder en række mærkelige egenskaber - f.eks. den når sin højeste tæthed ved fire grader Celsius. Dette skyldes de særlige vekselvirkninger mellem vandmolekylerne. "At beskrive disse interaktioner har været en udfordring for forskning i årtier, " siger Martina Havenith fra Ruhr-Universität Bochum.

Eksperimenter ved ekstremt lave temperaturer

Holdet undersøgte den enklest tænkelige interaktion, nemlig mellem netop to individuelle vandmolekyler, ved hjælp af terahertz-spektroskopi. Forskerne sender korte pulser af stråling i terahertz-området gennem prøven, som absorberer en del af strålingen. Absorptionsmønsteret afslører information om de attraktive interaktioner mellem molekylerne. En laser med særlig høj lysstyrke, som findes på Radboud Universitets laboratorium FELIX, var nødvendig til forsøgene.

Forskerne analyserede vandmolekylerne ved ekstremt lave temperaturer. At gøre dette, de lagrede successivt individuelle vandmolekyler i en lille dråbe superflydende helium, hvilket er så koldt som 0,4 Kelvin (eller -272,75 grader Celsius). Dråberne fungerer som en støvsuger, der fanger individuelle vandmolekyler. På grund af den lave temperatur, der opstår en stabil binding mellem to vandmolekyler, som ikke ville være stabil ved stuetemperatur.

Denne eksperimentelle opsætning tillod gruppen at optage et spektrum af de hindrede rotationer af to vandmolekyler for første gang. "Vandmolekyler bevæger sig konstant, " forklarer Martina Havenith. "De roterer, åbne og lukke." Men et vandmolekyle, der har et andet vandmolekyle i sin nærhed, kan ikke rotere frit - det er derfor, det omtales som en hindret rotation.

Et multidimensionelt energikort

Samspillet mellem vandmolekylerne kan også repræsenteres i form af det såkaldte vandpotentiale. "Dette er en slags multidimensionelt kort, der bemærker, hvordan vandmolekylernes energi ændres, når afstanden eller vinklerne mellem molekylerne ændres, " forklarer Martina Havenith. Alle ejendommene, såsom tæthed, ledningsevne eller fordampningstemperatur, kan udledes af vandpotentialet. "Vores målinger tillader nu den bedst mulige test af alle potentialer udviklet til dato, " siger forskeren.