Vatten finns överallt. Men det är inte samma sak överallt. Vid frysning under extrema tryck och temperaturer, is tar en rad komplexa kristallina strukturer.

Många av egenskaperna och beteenden hos dessa exotiska isar förblir mystiska, men ett team av forskare gav nyligen ny förståelse. De analyserade hur vattenmolekyler interagerar med varandra i tre istyper och fann att interaktionerna berodde starkt på molekylernas orientering och isens övergripande struktur. Forskarna beskriver sina resultat i The Journal of Chemical Physics .

"Det nya arbetet har gett oss spektakulära nya insikter om hur vattenmolekyler beter sig när de packas i täta och strukturellt komplexa miljöer, "sa Christoph Salzmann från University College London." I slutändan, denna kunskap gör det möjligt för oss att förstå flytande vatten såväl som vatten som omger biomolekyler på ett mycket bättre sätt. "

Vatten är, självklart, viktigt för livet som vi känner det. Men det är också unikt på grund av dess böjda molekylära form, med två väteatomer som hänger av en syreatom i en vinkel. Den totala molekylen har en elektrisk polaritet, med positivt och negativt laddade sidor. På grund av dessa egenskaper, vattenmolekyler kan passa ihop på olika sätt när de stelnar till is.

Eftersom vatten vanligtvis fryser på jorden, molekylerna samlas i ett gitter med strukturella enheter formade som sexkantar. Men vid extremt höga tryck och låga temperaturer, molekylerna kan ordna sig på mer komplexa sätt, bildar 17 olika faser - varav några kan existera på de yttre planeternas isiga månar.

Även om själva strukturerna är kända, forskare förstår ännu inte helt hur molekylerna interagerar och påverkar varandra, sa Peter Hamm från universitetet i Zürich. I dessa isfaser, molekylerna är bundna till varandra, påverkar varandra som om de alla var kopplade till fjädrar.

För att förstå dessa interaktioner, Salzmann, Hamm och deras team använde 2-D infraröd spektroskopi på tre isfaser med olika strukturer:is II, is V och is XIII. I denna metod, de avfyrade en sekvens av ultrakorte infraröda laserpulser för att excitera molekylbindningarna i isen, får dem att vibrera.

När molekylvibrationerna faller tillbaka till ett lägre energitillstånd, molekylen avger ljus vid infraröda frekvenser. Genom att mäta hur intensiteten för den infraröda strålningen beror på både pulsens och den utsända strålningens frekvenser-producerande 2-D-spektra-kan forskarna bestämma hur molekylerna interagerar med varandra.

Efter att ha samlat in data på isen, varav några måste frysas vid under -200 grader Celsius och vid tryck flera tusen gånger atmosfären vid havsnivån, forskarna använde datasimuleringar av molekylära interaktioner för att tolka deras resultat. Medan simuleringarna matchade data för is II, det gjorde de inte för is V och XIII, som talar om systemets komplexitet.

Fortfarande, insikter från denna typ av analys kan hjälpa till att informera datasimuleringar som används för att modellera beteendet hos biologiska molekyler som proteiner, som vanligtvis omges av vatten.

"Vattenis är viktigt, och vi måste kunna förstå det på en mycket mikroskopisk nivå, "Hamm sa." Då kan vi bättre förstå hur vatten interagerar med andra molekyler, och särskilt biomolekyler. "