Vand, vand overalt - og det er mere mærkeligt, end du tror

Forskere ved University of Tokyo har brugt beregningsmetoder og analyse af nylige eksperimentelle data for at demonstrere, at vandmolekyler har to forskellige strukturer i flydende tilstand. Teamet undersøgte spredningen af ​​røntgenfotoner gennem vandprøver og viste en bimodal fordeling skjult under den første diffraktionstop, der var resultatet af tetraedriske og ikke-tetraedriske arrangementer af vandmolekyler. Dette arbejde kan have vigtige konsekvenser i hele videnskaben, men især med hensyn til levende systemer, ligesom proteiner og cellestrukturer, som er stærkt påvirket af deres omgivende vandmolekyler.

I betragtning af vandets allestedsnærværende på vores planet og den centrale rolle, det spiller i alt kendt liv, det kan være svært at tro, at der er noget tilbage at lære om denne mest velkendte væske. Et simpelt molekyle bestående af kun to hydrogenatomer og et ilt; vand skjuler stadig grundlæggende mysterier, der mangler at blive opklaret. For eksempel, vand har usædvanligt høje smelte- og kogepunkter, og udvider sig endda, når det fryser (i modsætning til de fleste væsker, hvilken kontrakt). Disse og andre usædvanlige egenskaber gør den meget forskellig fra næsten alle andre væsker, men også lade livet, som vi kender det, eksistere.

Vandets underlighed kan bedst forstås ved at tænke på de meget unikke interaktioner mellem H ₂ O -molekyler - hydrogenbindingen. Vand har en tendens til at danne fire hydrogenbindinger med sine fire naboer, hvilket fører til tetraedriske arrangementer af naboerne. Sådanne arrangementer kan stort set forvrænges under termiske udsving. Imidlertid, om forvrængningen fører til sameksistensen af ​​forskellige tetraedriske og ikke-tetraedriske arrangementer er forblevet kontroversiel.

Nu, forskere ved University of Tokyo har kombineret computersimuleringer og analyse af spredning af eksperimentelle data for at finde vandets "strukturfaktor"-den matematiske funktion, der repræsenterer spredte røntgenstråles stier, når de spreder hydrogen- og iltatomerne. Analysen viste to overlappende toppe, der gemte sig i strukturfaktorens første diffraktionstop. En af disse toppe svarede til afstanden mellem oxygenatomer som i almindelige væsker, mens den anden angav en længere afstand, som i et tetraedrisk arrangement. "Kombinationen af ​​nye beregningsmetoder og analyse af nylige røntgenspredningsdata tillod os at se, hvad der ikke var synligt i tidligere arbejde, "Første forfatter til undersøgelsen forklarer Rui Shi.

Denne opdagelse kan have enorme konsekvenser på mange videnskabelige områder. At kende den nøjagtige strukturelle rækkefølge af vand er afgørende for en fuldstændig forståelse af molekylær biologi, kemi, og endda mange industrielle applikationer. "Det er meget tilfredsstillende at kunne løse væskestrukturen af ​​et sådant grundlæggende stof, "siger seniorforfatter Hajime Tanaka.