Forskare vid University of Tokyo har använt beräkningsmetoder och analys av nya experimentella data för att visa att vattenmolekyler tar två distinkta strukturer i flytande tillstånd. Teamet undersökte spridningen av röntgenfotoner genom vattenprover och visade en bimodal fördelning gömd under den första diffraktionstoppen som resulterade från tetraedriska och icke-tetraedriska arrangemang av vattenmolekyler. Detta arbete kan ha viktiga implikationer inom hela vetenskapen, men särskilt när det gäller levande system, som proteiner och cellstrukturer, som är starkt påverkade av sina omgivande vattenmolekyler.

Med tanke på hur mycket vatten finns på vår planet och den centrala roll det spelar i allt känt liv, det kan vara svårt att tro att det finns något kvar att lära sig om denna mest välbekanta vätska. En enkel molekyl som består av bara två väteatomer och ett syre; vatten döljer fortfarande grundläggande mysterier som återstår att reda ut. Till exempel, vatten har ovanligt höga smält- och kokpunkter, och expanderar till och med när det fryser (till skillnad från de flesta vätskor, vilket avtal). Dessa och andra ovanliga egenskaper gör att den skiljer sig mycket från nästan alla andra vätskor, men också låta livet som vi känner det existera.

Det konstiga med vatten kan bäst förstås genom att tänka på de mycket unika interaktionerna mellan H ₂ O-molekyler - vätebindningen. Vatten tenderar att bilda fyra vätebindningar med sina fyra grannar, vilket leder till tetraedriska arrangemang av grannarna. Sådana arrangemang kan till stor del förvrängas under termiska fluktuationer. Dock, huruvida snedvridningen leder till samexistensen av distinkta tetraedriska och icke-tetraedriska arrangemang har förblivit kontroversiellt.

Nu, Forskare vid University of Tokyo har kombinerat datorsimuleringar och analys av spridningsexperimentella data för att hitta "strukturfaktorn" för vatten - den matematiska funktionen som representerar banorna för spridda röntgenstrålar när de sprider väte- och syreatomerna. Analysen visade två överlappande toppar som gömde sig i den första diffraktionstoppen för strukturfaktorn. En av dessa toppar motsvarade avståndet mellan syreatomer som i vanliga vätskor, medan den andra angav ett längre avstånd, som i ett tetraedriskt arrangemang. "Kombinationen av nya beräkningsmetoder och analys av nyare röntgenspridningsdata gjorde det möjligt för oss att se vad som inte var synligt i tidigare arbete, ", förklarar den första författaren av studien Rui Shi.

Denna upptäckt kan ha enorma konsekvenser inom många vetenskapliga områden. Att känna till den exakta strukturella ordningen för vatten är avgörande för en fullständig förståelse av molekylärbiologi, kemi, och även många industriella tillämpningar. "Det är mycket tillfredsställande att kunna reda ut vätskestrukturen hos ett så grundläggande ämne, ", säger seniorförfattaren Hajime Tanaka.