Det är en populär tradition att kasta mynt i fontäner i hopp om att få önskningarna uppfyllda. Men vad skulle hända om man kunde "kasta" elektroner i vattnet istället? Det är, vad händer kort efter att en elektron injiceras i vatten?

Denna decennier gamla fråga har nu ett svar, tack vare en artikel publicerad i Naturkommunikation den 16 januari. Studien är resultatet av samarbete mellan forskare vid University of Chicago, det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne och Lawrence Livermore National Laboratories, och University of California-San Diego.

Tills nu, forskare stod inför tekniska utmaningar när de ville experimentellt mäta elektronaffiniteten hos vatten, sa professor Giulia Galli, Liew familjeprofessor vid Institutet för molekylär teknik vid University of Chicago och senior forskare vid Argonne.

"De flesta av resultaten som citeras i litteraturen som experimenttal är faktiskt värden som erhålls genom att kombinera några uppmätta kvantiteter med grova teoretiska uppskattningar, " Hon sa.

Noggranna teoretiska mätningar, å andra sidan, har varit utom räckhåll under en tid på grund av svårigheten och de höga beräkningskostnaderna för att simulera interaktionerna direkt, sa University of California-San Diego professor Francesco Paesani, en medförfattare till studien som har ägnat år åt att utveckla en korrekt potential för modellering av flytande vatten.

Interaktionspotentialen mellan vattenmolekyler utvecklad av Paesani användes för att modellera strukturen av både flytande vatten och vattenytan. När strukturen erhållits, mycket noggranna teoretiska metoder och programvara för att studera exciterade tillstånd av materia, utvecklad av Gallis team, användes för att förstå vad som händer när en elektron injiceras i vatten.

I grunden forskarna försökte förstå om elektronen finns i vätskan och så småningom deltar i kemiska reaktioner. Den centrala frågan var, "Binder vätskan till elektronen direkt?"

Forskarna fann att elektronen binder till vattnet; dock, dess bindningsenergi är mycket mindre än man tidigare trott. Detta fick forskarna att återbesöka ett antal väl accepterade data och modeller för vattens elektronaffinitet.

Galli och hennes medarbetare utvecklade metoderna för upphetsade tillstånd som använts i denna studie under åren, i samarbete med T. A. Pham, från Lawrence Livermore, och Marco Govoni, från Argonne, båda är medförfattare till denna studie.

"Med hjälp av programvaran som utvecklats för att studera exciterade tillståndsfenomen i realistiska system (som kallas Without Empty States, eller WEST) och Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), vi kunde äntligen generera data för prover både tillräckligt stora och på tillräckligt långa tidsskalor för att studera elektronaffiniteten för flytande vatten, " sa Govoni.

"Vi hittade stora skillnader mellan affiniteten vid ytan och i bulkvätskan. Vi hittade också värden som skilde sig från de som accepterades i litteraturen, vilket fick oss att återbesöka hela energidiagrammet för en elektron i vatten, " tillade Pham.

Detta fynd har viktiga konsekvenser, både för forskare som försöker förstå vattnets egenskaper i grunden och för dem som vill beskriva reduktions-/oxidationsreaktioner i vattenlösningar, som är utbredda inom kemi och biologi.

Särskilt, forskare använder ofta information om vattens energinivåer när de screenar material för fotoelektrokemiska celler. En tillförlitlig uppskattning av vattenelektronaffiniteten (som forskarna i studien gav för både bulkvatten och dess yta) kommer att hjälpa forskare att upprätta beräkningsprotokoll som är mer robusta och mer tillförlitliga, och förbättra beräkningsscreening av material.