Ett internationellt forskarlag har fått nya insikter om hur vattenmolekyler interagerar. En laser med särskilt hög ljusstyrka, som finns på FELIX-laboratoriet vid Radboud University, behövdes för experimenten. Deras resultat hjälper till att bättre förstå vattnets konstiga egenskaper och publiceras i Angewandte Chemie .

Även om vatten är allestädes närvarande, interaktionen mellan enskilda vattenmolekyler är ännu inte helt klarlagd. För första gången, forskarna kunde fullständigt observera alla rörelser mellan vattenmolekylerna, känd som intermolekylära vibrationer. En viss rörelse av enskilda vattenmolekyler mot varandra, kallas hindrade rotationer, är särskilt viktigt.

Okända interaktioner

Vatten är det viktigaste lösningsmedlet inom kemi och biologi och har en rad märkliga egenskaper – till exempel, den når sin högsta densitet vid fyra grader Celsius. Detta beror på de speciella interaktionerna mellan vattenmolekylerna. "Att beskriva dessa interaktioner har utgjort en utmaning för forskning i decennier, säger Martina Havenith från Ruhr-Universität Bochum.

Experiment vid extremt låga temperaturer

Teamet undersökte den enklast tänkbara interaktionen, nämligen mellan exakt två individuella vattenmolekyler, med terahertz-spektroskopi. Forskarna skickar korta pulser av strålning i terahertzområdet genom provet, som absorberar en del av strålningen. Absorptionsmönstret avslöjar information om de attraktiva interaktionerna mellan molekylerna. En laser med särskilt hög ljusstyrka, som finns på Radboud universitets laboratorium FELIX, behövdes för experimenten.

Forskarna analyserade vattenmolekylerna vid extremt låga temperaturer. Att göra detta, de lagrade successivt individuella vattenmolekyler i en liten droppe superfluid helium, vilket är så kallt som 0,4 Kelvin (eller -272,75 grader Celsius). Dropparna fungerar som en dammsugare som fångar upp enskilda vattenmolekyler. På grund av den låga temperaturen, en stabil bindning uppstår mellan två vattenmolekyler, som inte skulle vara stabil vid rumstemperatur.

Denna experimentella uppställning gjorde det möjligt för gruppen att registrera ett spektrum av de hindrade rotationerna av två vattenmolekyler för första gången. "Vattenmolekyler rör sig konstant, " förklarar Martina Havenith. "De roterar, öppna och stänga." en vattenmolekyl som har en andra vattenmolekyl i sin närhet kan inte rotera fritt – det är därför den kallas för hindrad rotation.

En flerdimensionell energikarta

Samspelet mellan vattenmolekylerna kan också representeras i form av vad som kallas vattenpotential. "Detta är en sorts flerdimensionell karta som noterar hur vattenmolekylernas energi förändras när avstånden eller vinklarna mellan molekylerna ändras, " förklarar Martina Havenith. Alla fastigheter, såsom densitet, ledningsförmåga eller förångningstemperatur, kan härledas från vattenpotentialen. "Våra mätningar tillåter nu bästa möjliga test av alla potentialer som utvecklats hittills, säger forskaren.