Ett internationellt team av forskare under ledning av professor Martina Havenith från Ruhr-Universität Bochum (RUB) har kunnat kasta nytt ljus över vattnets egenskaper på molekylär nivå. Särskilt, de kunde exakt beskriva interaktionerna mellan tre vattenmolekyler, som avsevärt bidrar till vattenlandskapets energilandskap. Forskningen kan bana väg för att bättre förstå och förutsäga vattenbeteende under olika förhållanden, även under extrema. Resultaten har publicerats online i tidningen Angewandte Chemie den 19 april 2020.

Interaktioner via vibrationer

Trots att vatten vid första anblicken ser ut som en enkel vätska, den har många ovanliga egenskaper, en av dem är att det är mindre tätt när det är fryst än när det är flytande. På det enklaste sättet beskrivs vätskor genom samspelet mellan deras direkta partners, som oftast räcker för en bra beskrivning, men inte när det gäller vatten:Interaktionerna i vattendimerer står för 75 procent av energin som håller ihop vatten. Martina Havenith, chef för den Bochum-baserade ordföranden för fysikalisk kemi II och talesman för Ruhr Explores Solvation (Resolv) Cluster of Excellence, och hennes kollegor från Emory University i Atlanta, USA, publicerade nyligen en exakt beskrivning av interaktionerna relaterade till vattendimern. För att få tillgång till de kooperativa interaktionerna, som utgör 25 procent av den totala vatteninteraktionen, vattentrimern måste undersökas.

Nu, teamet som leds av Martina Havenith i samarbete med kollegor från Emory University och University of Mississipi, USA, har kunnat för första gången på ett exakt sätt beskriva interaktionsenergin mellan tre vattenmolekyler. De testade moderna teoretiska beskrivningar mot resultatet av det spektroskopiska fingeravtrycket av dessa intermolekylära interaktioner.

Hinder för experimentell forskning

I mer än 40 år, forskare har utvecklat beräkningsmodeller och simuleringar för att beskriva energierna som ingår i vattentrimern. Experiment har varit mindre framgångsrika, trots vissa pionjärinsikter i gasfasstudier, och de förlitar sig på spektroskopi. Tekniken fungerar genom att bestråla ett vattenprov med strålning och registrera hur mycket ljus som har absorberats. Det erhållna mönstret är relaterat till den olika typen av excitationer av intermolekylära rörelser som involverar mer än en vattenmolekyl. Tyvärr, för att få dessa spektroskopiska fingeravtryck för vattendimerer och trimerer, man behöver bestråla i terahertz -frekvensområdet. Och laserkällor som ger hög effekt har saknats för det frekvensområdet.

Denna tekniska lucka har fyllts först nyligen. I den aktuella publikationen, RUB-forskarna använde fria elektronlasrar vid Radboud University i Nijmegen i Nederländerna, vilket möjliggör höga effekter i terahertz -frekvensområdet. Lasern applicerades genom små droppar av superfluid helium, som kyls ner vid extremt låga temperaturer, till minus 272, 75 grader Celsius. Dessa droppar kan samla vattenmolekyler en efter en, tillåter att isolera små aggregat av dimerer och trimerer. På detta sätt kunde forskarna bestråla exakt de molekyler de ville och få det första heltäckande spektrumet av vattentrimeren i terahertz-frekvensområdet.

De experimentella observationerna av de intermolekylära vibrationerna jämfördes med och tolkades med hjälp av kvantberäkningar på hög nivå. På så sätt kunde forskarna analysera spektrumet och tilldela upp till sex olika intermolekylära vibrationer.