Vatten saknar färg, smak och lukt får det att verka enkelt - och på molekylär nivå, det är. Dock, när många vattenmolekyler samlas bildar de ett mycket komplext nätverk av vätebindningar. Detta nätverk antas vara ansvarigt för många av de säregna egenskaperna hos flytande vatten, men dess beteende är ännu inte helt förstått.

Nu har forskare undersökt molekylernas rörelser i flytande vatten som sker på mindre än 100 miljoner av en miljarddel av en sekund, eller femtosekunder. Ett internationellt team som leds av forskare vid Stockholms universitet genomförde experimenten med Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory. De publicerade sin rapport i veckan Naturkommunikation .

Studien är den första som "fotograferar" vattenmolekyler på denna tidsskala med en teknik som kallas ultrasnabb röntgenfotonkorrelationsspektroskopi, som studsar röntgenpulser från molekylerna för att producera en serie diffraktionsmönster. Att variera längden på röntgenpulserna varierar i huvudsak exponeringstiden, och varje rörelse av vattenmolekylerna under en exponering suddar den resulterande bilden. Genom att analysera suddigheten som uppstår vid olika exponeringstider, forskarna kunde extrahera information om den molekylära rörelsen.

På denna tidsplan, man antog att vattenmolekyler rör sig slumpmässigt på grund av värme, beter sig mer som en gas än en vätska. Dock, experimenten indikerar att nätverket av vätebindningar spelar en roll även på denna ultrasnabba tidsskala, koordinera rörelserna för vattenmolekyler i en invecklad dans, som blir ännu mer uttalad när vatten är "superkylt" under dess normala fryspunkt.

"Nyckeln till att förstå vatten på molekylär nivå är att titta på förändringarna i vätebindningsnätet, som kan spela en stor roll för biologisk aktivitet och liv som vi känner det, säger Anders Nilsson, professor vid Stockholms universitet och tidigare professor vid SLAC.

Lägger till Stockholms universitetsforskare Fivos Perakis, "Det är en helt ny förmåga att kunna använda röntgenlasrar för att se molekylernas rörelse i realtid. Detta kan öppna ett helt nytt område av undersökningar på dessa tidsskalor, i kombination med den unika strukturella känsligheten hos röntgenstrålar. "

De experimentella resultaten reproducerades med datorsimuleringar, som indikerar att den koordinerade dansen av vattenmolekyler beror på bildandet av övergående tetraedriska strukturer.

"Jag har studerat dynamiken i flytande och underkyldt vatten under lång tid med hjälp av datasimuleringar, och det är väldigt spännande att äntligen kunna jämföra med experiment, "säger Gaia Camisasca, en postdoktor vid Stockholms universitet som utförde datorsimuleringarna för denna studie. "Jag ser fram emot att se de framtida resultaten som kan komma från denna teknik, vilket kan hjälpa till att förbättra de nuvarande vattendatormodellerna. "