Vatten är konstigt - och ändå så viktigt. Faktiskt, det är en av de mest ovanliga molekylerna på jorden. Det kokar vid en temperatur som det inte borde. Den expanderar och flyter när den är i fast tillstånd. Dess ytspänning är högre än den borde vara. Nu, ny forskning publicerad i tidskriften Natur har lagt till en annan lika märklig egenskap till vattnets lista över konstigheter. Implikationerna av denna nya uppenbarelse kan ha en anmärkningsvärd inverkan på alla vattenrelaterade processer från vattenrening till läkemedelstillverkning.

Stephen Cronin, professor i el- och datateknik vid USC Viterbi, och Alexander Benderskii, docent i kemi vid USC Dornsife College of Letters, Konst och vetenskap, har visat att när vatten kommer i kontakt med en elektrodyta reagerar inte alla dess molekyler på samma sätt. Detta kan dramatiskt påverka hur väl olika ämnen kan lösas upp i vatten som utsätts för ett elektriskt fält, vilket i sin tur, kan avgöra hur en kemisk reaktion kommer att ske. Och kemiska reaktioner är en nödvändig komponent i hur vi gör ... allt.

Det är lämpligt att detta banbrytande arbete kommer från tvärvetenskaplig forskning mellan en kemist och en elektroingenjör. Trots allt, kemi är i grunden en studie av elektroner, och kemiska reaktioner är det som gör materialen till vår moderna värld är byggd på. Varje forskare tillhandahöll en viktig komponent i arbetet. I detta fall, en banbrytande elektrod från ingenjören, Cronin, och en avancerad laserspektroskopiteknik från kemisten, Benderskii. I sista hand, det var kombinationen av dessa två konstruktioner som ledde till det observerade genombrottet.

Först, Cronin designade en unik elektrod byggd av monolager grafen (bara 0,355 nm tjock). Att bygga grafenelektroder i sig är en mycket komplex process. Faktiskt, elektroden som behövs för just denna forskning är en som forskargrupper över hela världen har försökt och misslyckats med tidigare. "Alex och jag hade kämpat ett tag för att uppnå detta och vi var tvungna att ändra vår design många gånger. Det är givande och spännande att äntligen se resultatet av vårt arbete, sa Cronin.

När elektroden väl är placerad på en vattencell och börjar köra en ström, Benderskiis teknik spelar in. Han använder en speciell laserspektroskopimetod som bara en handfull andra forskargrupper har kunnat reproducera. "Att använda vårt tillvägagångssätt för att observera vattenmolekyler för första gången under villkoren för våra experiment, vi kunde se hur molekylerna interagerade med fältet på ett sätt som ingen tidigare hade förstått, sa Benderskii.

Vad de två fann var att det översta lagret av vattenmolekyler närmast elektroden riktas in på ett helt annat sätt än resten av vattenmolekylerna. Denna insikt var oväntad. Men det kan öppna vägen för att köra mer exakta simuleringar av hur vattenhaltiga kemiska reaktioner inom olika områden påverkar materialen de arbetar med. Ett särskilt område där denna forskning kan ha en omedelbar effekt är att tillhandahålla rent vatten. "Vatten i kontakt med grafen föreslås verkligen som en ny teknik för avsaltning, " sa Cronin. "Vår forskning kan hjälpa forskare att designa bättre simuleringar som i slutändan kommer att ge människor avsaltat rent vatten snabbare, billigare, och renare."

Benderskii och Cronin planerar inte att avsluta sitt mångåriga forskningssamarbete när som helst snart. Nu när de har identifierat denna nya vattenkvalitet, de planerar att gräva djupare. "Vår publicerade forskning handlar om hur vatten tillsammans reagerar på en ström. Nästa, vi försöker förstå hur detta svar fungerar på en individuell molekylär nivå, sa Benderskii.