Ett nytt tillvägagångssätt för att studera vattnets viskositet har avslöjat nya insikter om beteendet hos vattenmolekyler och kan öppna vägar för vätskebaserad elektronik.

Ett team av forskare som leds av Department of Energy:s Oak Ridge National Laboratory använde en högupplöst oelastisk röntgenspridningsteknik för att mäta den starka bindningen som involverar en väteatom som ligger mellan två syreatomer. Denna vätebindning är ett kvantmekaniskt fenomen som ansvarar för olika egenskaper hos vatten, inklusive viskositet, som bestämmer en vätskans motstånd mot flöde eller att ändra form.

Medan vatten är det mest förekommande ämnet på jorden, dess beteende på molekylär nivå är inte väl förstått.

"Trots allt vi vet om vatten, det är ett mysterium, atypisk substans som vi behöver bättre förstå för att låsa upp dess stora potential, särskilt inom informations- och energiteknik, "sa Takeshi Egami, University of Tennessee-ORNL Distinguished Scientist/Professor som arbetar genom Shull Wollan Center-ett Joint Institute for Neutron Sciences, ett ORNL-UT-partnerskap.

Teamets studie, publicerad i Vetenskapliga framsteg , visat att det är möjligt att undersöka real-space, realtidsdynamik för vatten och andra vätskor. Tidigare studier har gett ögonblicksbilder av vattnets atomstruktur, men lite är känt om hur vattenmolekyler rör sig.

"Vätebindningen har en stark effekt på den dynamiska korrelationen mellan molekyler när de rör sig genom rum och tid, men hittills data, mestadels genom optisk laserspektroskopi, gav breda eller "disiga" resultat med oklar specificitet, "Sa Egami.

För en tydligare bild, det gemensamma ORNL-UT-teamet använde en avancerad röntgenteknik som kallas oelastisk röntgenspridning för att bestämma molekylär rörelse. De fann att dynamiken i syre-till-syre-bindning mellan vattenmolekyler är, förvånande, inte slumpmässigt men mycket samordnat. När bindningen mellan vattenmolekyler störs, de starka vätebindningarna arbetar för att upprätthålla en stabil miljö under en viss tidsperiod.

"Vi fann att den tid det tar för en molekyl att ändra sin" granne "-molekyl bestämmer vattnets viskositet, "Sade Egami. Denna nya upptäckt skulle stimulera ytterligare studier om att utöva kontroll över viskositeten hos andra vätskor.

Egami ser det nuvarande arbetet som en språngbräda till mer avancerad forskning som kommer att utnyttja neutronspridningstekniker vid Spallation Neutron Source på ORNL, en DOE Office of Science User Facility, för att ytterligare bestämma ursprunget för viskositeten och andra dynamiska egenskaper hos vätskor.

Forskarnas tillvägagångssätt kan också användas för att karakterisera det molekylära beteendet och viskositeten hos joniska, eller salt, vätskor och andra flytande ämnen, vilket skulle underlätta utvecklingen av nya typer av halvledaranordningar med flytande elektrolytisolerande skikt, bättre batterier och förbättrade smörjmedel.