Vattenmolekyler finns i två olika former med nästan identiska fysikaliska egenskaper. För första gången, forskare har lyckats separera de två formerna för att visa att de kan uppvisa olika kemiska reaktiviteter. Dessa resultat rapporterades av forskare från universitetet i Basel och deras kollegor i Hamburg i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Ur ett kemiskt perspektiv, vatten är en molekyl där en enda syreatom är kopplad till två väteatomer. Det är mindre känt att vatten finns i två olika former (isomerer) på molekylär nivå. Skillnaden ligger i den relativa orienteringen av de två väteatomernas kärnspinn. Beroende på om snurren är riktade i samma eller motsatta riktning, man syftar på orto- eller para-vatten.

Experiment med sorterade vattenmolekyler

Forskargruppen som leds av professor Stefan Willitsch från universitetet i Basels kemiavdelning har undersökt hur de två formerna av vatten skiljer sig åt när det gäller deras kemiska reaktivitet – deras förmåga att genomgå en kemisk reaktion. Båda isomererna har nästan identiska fysikaliska egenskaper, vilket gör deras separation särskilt utmanande.

Denna separation möjliggjordes av en metod baserad på elektriska fält utvecklad av professor Jochen Küpper från Hamburg Center for Free-Electron Laser Science. Genom att använda detta tillvägagångssätt, forskarna kunde initiera kontrollerade reaktioner mellan de "försorterade" vattenisomererna och ultrakalla diazenyliumjoner ("protonerat kväve") som hölls i en fälla. Under denna process, en diazenyliumjon överför sin proton till en vattenmolekyl. Denna reaktion observeras också i det interstellära rymdens kemi.

Ökad reaktivitet

Det visades att para-vatten reagerar cirka 25 procent snabbare än orto-vatten. Denna effekt kan förklaras i termer av att kärnspinnet också påverkar rotationen av vattenmolekylerna. Som ett resultat, olika attraktionskrafter verkar mellan reaktionspartnerna. Para-vatten kan attrahera sin reaktionspartner starkare än orto-formen, vilket leder till en ökad kemisk reaktivitet. Datorsimuleringar bekräftade dessa experimentella fynd.

I sina experiment, forskarna arbetade med molekyler vid mycket låga temperaturer nära den absoluta nollpunkten (cirka -273°C). Dessa är idealiska förhållanden för att exakt förbereda individuella kvanttillstånd och definiera energiinnehållet i molekylerna, och att orsaka en kontrollerad reaktion mellan dem. Willitsch förklarar det experimentella tillvägagångssättet:"Ju bättre man kan kontrollera tillstånden för de molekyler som är involverade i en kemisk reaktion, desto bättre kan de underliggande mekanismerna och dynamiken i en reaktion undersökas och förstås."