Vandmolekyler danser i tre

Et internationalt team af forskere ledet af professor Martina Havenith fra Ruhr-Universität Bochum (RUB) har været i stand til at kaste nyt lys over vandets egenskaber på molekylært niveau. I særdeleshed, de var i stand til præcist at beskrive interaktionerne mellem tre vandmolekyler, som bidrager væsentligt til vandets energilandskab. Forskningen kunne bane vejen for bedre at forstå og forudsige vandadfærd under forskellige forhold, selv under ekstreme. Resultaterne er blevet offentliggjort online i tidsskriftet Angewandte Chemie den 19. april 2020.

Interaktioner via vibrationer

Trods vand ved første øjekast ligner en simpel væske, den har mange usædvanlige egenskaber, en af ​​dem er, at den er mindre tæt, når den er frosset, end når den er flydende. På den enkleste måde beskrives væsker ved samspillet mellem deres direkte partnere, som for det meste er tilstrækkelige til en god beskrivelse, men ikke i tilfælde af vand:Interaktionerne i vanddimerer tegner sig for 75 procent af den energi, der holder vand sammen. Martina Havenith, leder af Bochum-baserede formand for fysisk kemi II og talsmand for Ruhr Explores Solvation (Resolv) Cluster of Excellence, og hendes kolleger fra Emory University i Atlanta, OS, for nylig offentliggjort en nøjagtig beskrivelse af interaktionerne relateret til vanddimeren. For at få adgang til samarbejdsinteraktionerne, som udgør 25 procent af den samlede vandinteraktion, vandtrimmeren skulle undersøges.

Nu, teamet ledet af Martina Havenith i samarbejde med kolleger fra Emory University og fra University of Mississipi, OS, har for første gang på en nøjagtig måde kunnet beskrive interaktionsenergien mellem tre vandmolekyler. De testede moderne teoretiske beskrivelser mod resultatet af det spektroskopiske fingeraftryk af disse intermolekylære interaktioner.

Hindringer for eksperimentel forskning

I mere end 40 år har forskere har udviklet beregningsmodeller og simuleringer til at beskrive de energier, der er involveret i vandtrimeren. Eksperimenter har været mindre vellykkede, på trods af nogle pionerindsigt i gasfasestudier, og de er afhængige af spektroskopi. Teknikken fungerer ved at bestråle en vandprøve med stråling og registrere, hvor meget lys der er blevet absorberet. Det opnåede mønster er relateret til den forskellige type excitationer af intermolekylære bevægelser, der involverer mere end et vandmolekyle. Desværre, at opnå disse spektroskopiske fingeraftryk til vanddimerer og trimere, man skal bestråle i terahertz -frekvensområdet. Og laserkilder, der leverer høj effekt, har manglet for det frekvensområde.

Dette tekniske hul er først udfyldt for nylig. I den aktuelle publikation, RUB -forskerne brugte de gratis elektronlasere ved Radboud University i Nijmegen i Holland, hvilket giver mulighed for høje effekter i terahertz frekvensområdet. Laseren blev påført gennem små dråber af superflydende helium, som afkøles ved ekstremt lave temperaturer, til minus 272, 75 grader Celsius. Disse dråber kan opsamle vandmolekyler en efter en, gør det muligt at isolere små aggregater af dimerer og trimere. På denne måde var forskerne i stand til at bestråle præcis de molekyler, de ønskede, og tilegne sig det første omfattende spektrum af vandtrimeren i terahertz -frekvensområdet.

De eksperimentelle observationer af de intermolekylære vibrationer blev sammenlignet med og fortolket ved hjælp af kvanteberegninger på højt niveau. På denne måde kunne forskerne analysere spektret og tildele op til seks forskellige intermolekylære vibrationer.