Kemister från Ruhr-Universität Bochum har spårat med oöverträffad rumslig upplösning hur enskilda vattenmolekyler fäster till en organisk molekyl. De använde tunnelmikroskopi med låg temperatur för att visualisera processerna i en skala mindre än en nanometer. Detta gjorde det möjligt för dem att undersöka fenomenen hydrofilicitet och hydrofobicitet på molekylär nivå, dvs varför vissa delar av organiska molekyler lockar eller stöter bort vatten.

"Resultaten är ett viktigt steg på vägen till att förstå lösningsprocesser, det är, hur ämnen löser sig i vatten, " förklarar Karsten Lucht från Bochums ordförande för fysikalisk kemi I. Han rapporterar resultaten med teamet ledd av professor Karina Morgenstern och kollegor från ordföranden för organisk kemi II i tidskriften Angewandte Chemie . Forskarna samarbetar i excellensklustret Ruhr Explores Solvation, eller Resolv för kort.

Syftet med klustret är att förstå hur lösningsmedel påverkar reaktionerna i lösning och användningen av lösningsmedel för att kontrollera reaktioner.

Spåra vattenackumulering steg för steg

Som en organisk molekyl, forskarna använde ett azofärgämne som består av två kolringar med bifogade funktionella grupper som är polära, dvs något positivt eller negativt laddat. De deponerade molekylerna på en enkristall av guld och kylde systemet till sex Kelvin. Sedan tillsatte de individuella vattenmolekyler steg för steg och observerade var dessa fäste vid färgämnet.

De första vattenmolekylerna föredrog att fästa sig vid de polära funktionella grupperna. När forskarna ökade mängden vatten, de nytillkomna molekylerna fäste sig vid vattenmolekylerna som redan var bundna. "Våra experiment visar att hydrofilicitet och hydrofobicitet kan spåras tillbaka till molekylär nivå, säger Karina Morgenstern. Vattenmolekylerna undvek icke-polära områden av molekylen, polära områden föredrogs.

Tre kompletterande procedurer

De processer som observerades här med scanning tunnelmikroskopi undersöks vanligtvis spektroskopiskt eller med molekylär dynamiska simuleringar. Dock, den första metoden ger inte rumslig information, och det senare bygger på antaganden på grund av systemets storlek. "Varje metod har sitt värde, " förklarar Karsten Lucht. "De tre tillvägagångssätten kompletterar varandra."