Ett team vid TU Wien har nu beviset bakom spekulationerna att vattenmolekyler kan bilda komplexa broliknande strukturer när de ackumuleras på mineralytor.

Vatten är en extremt komplex vätska. Det sätt på vilket separata vattenmolekyler ackumuleras på olika material har en avgörande inverkan på många processer, inklusive korrosion och väderpåverkan, och är nyckeln till att säkerställa att katalysatorer fungerar optimalt. Ett team baserat på TU Wien har nu lyckats avslöja mysteriet bakom strukturen av vattenmolekyler på järnoxidytor, och deras arbete har avslöjat att vattenmolekyler kan bilda komplexa strukturer som påminner om broar, som spelar en betydande roll när det kommer till kemiska reaktioner på ytan.

Vattnets speciella egenskaper

"Vad som gör vattenmolekyler unika är att de kan bilda vätebrobindningar, " förklarar prof. Gareth Parkinson från Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien. "Den elektriska laddningsfördelningen är inte jämn. Syreatomen är svagt negativt laddad, medan väteatomerna är något positivt laddade." Som ett resultat, bindningar kan bildas mellan vattenmolekyler – de berömda vätebrobindningarna – eller till och med mellan en vattenmolekyl och andra typer av molekyler.

Följderna av detta är omfattande. Till exempel, vätebrobindningar är anledningen till att vatten måste nå den höga temperaturen på 100°C innan det kokar. De är också en nyckelfaktor i proteiners struktur.

Dessa band spelar till och med in gång på gång för helt ovetenskapliga påståenden, som folk hävdar tillåter de att mystisk "information" lagras i vatten. Detta är fysiskt omöjligt eftersom vätebryggbindningar inte alls är särskilt starka och bryts ner igen på en bråkdel av en sekund i flytande vatten. Ändå, du kan se väldigt olika resultat när vattenmolekyler ackumuleras på ytor, där det är otroligt komplext, stabila strukturer bildas vid låga temperaturer.

Möjligheternas rike

"Det hade redan funnits indirekta tecken på att den här typen av struktur bildades, " säger Ulrike Diebold (TU Wien). "Men för att verkligen göra vattnets struktur synlig på järnoxidytor, vi var tvungna att optimera de allra bästa toppmoderna mätteknikerna ytterligare och verkligen tänja på gränserna för vad som är möjligt."

Till att börja med, en stråle av vattenmolekyler sprängs på ytan i vakuum vid låg temperatur. Ytan värms sedan försiktigt upp till en temperatur på cirka -30°C, vilket gör att vattenstrukturerna gradvis bryts upp. Vattenmolekylerna lossnar från ytan en efter en och samlas upp av en detektor. "Vi kan mäta exakt hur många vattenmolekyler som lämnar ytan vid en viss temperatur. Vi kan sedan ta denna information för att räkna ut bindningsenergin, vilket i sin tur låter oss identifiera vilken typ av molekylstrukturer vi har att göra med, " förklarade Gareth Parkinson.

På samma gång, en speciell vibrationssäker, högpresterande mikroskop användes för att producera högupplösta bilder av ytan, så att vattenstrukturerna faktiskt kunde ses. Dessutom, sofistikerade datorsimuleringar utvecklades som ett sätt att förklara den geometriska placeringen av vattenmolekylerna på kvantnivå. "Äntligen har vi tre verktyg till vårt förfogande som gör att vi kan studera vattenstrukturerna, och det är vad som behövs om du vill få tillförlitliga resultat, " säger Gareth Parkinson. "Alla tre analyserna matchar perfekt, lämnar oss att med stor tillförsikt dra slutsatsen att vi nu förstår bildandet av vattenstrukturer på järnoxidytor."

Bevisen visar att flera strukturer bildas:det är sällsynt att en enda vattenmolekyl sitter ensam på ytan, med vattenmolekyler som istället tenderar att samlas i par eller grupper om tre. Då har du mer komplexa strukturer som består av sex eller åtta molekyler, som spänner över järnoxidens yta som elliptiskt krökta broar.

"Vårt primära mål var att utveckla de analytiska metoderna till den grad att vi kunde få ovedersägliga bevis för dessa molekylära strukturer. Och det var vad vi gjorde, ", säger Ulrike Diebold. "Den metod som vi använde här för järnoxid kan även tillämpas på andra material."