Ett team av forskare har avslöjat nya molekylära egenskaper hos vatten - en upptäckt av ett fenomen som tidigare hade gått obemärkt förbi.

Ett team av forskare har avslöjat nya molekylära egenskaper hos vatten - en upptäckt av ett fenomen som tidigare hade gått obemärkt förbi.

Flytande vatten är känt för att vara en utmärkt transportör av sina egna autojoniseringsprodukter; det är, den laddade arten som erhålls när en vattenmolekyl (H ₂ O) delas upp i protoner (H ⁺ ) och hydroxidjoner (OH ^- ). Denna anmärkningsvärda egenskap hos vatten gör det till en kritisk komponent i framväxande elektrokemisk energiproduktion och lagringsteknik som bränsleceller; verkligen, själva livet skulle inte vara möjligt om vatten inte hade denna egenskap.

Vatten är känt för att bestå av ett invecklat nätverk av svaga, riktningsinteraktioner som kallas vätebindningar. I nästan ett sekel, man trodde att de mekanismer genom vilka vatten transporterar H ⁺ och OH ^- joner var spegelbilder av varandra - identiska på alla sätt förutom riktningarna för vätebindningarna som är involverade i processen.

Nuvarande toppmoderna teoretiska modeller och datasimuleringar, dock, förutsade en grundläggande asymmetri i dessa mekanismer. Om det är korrekt, denna asymmetri är något som kan utnyttjas i olika applikationer genom att skräddarsy ett system för att gynna en jon framför den andra.

Experimentella bevis på den teoretiska förutsägelsen har förblivit svårfångade på grund av svårigheten att direkt observera de två joniska arterna. Olika experiment har bara gett glimtar av den förutsagda asymmetrin.

Ett team av forskare vid New York University, ledd av professor Alexej Jerschow och inklusive Emilia Silletta, en postdoktor i NYU, och Mark Tuckerman, professor i kemi och matematik vid NYU, utarbetat ett nytt experiment för att spika upp denna asymmetri. Det experimentella tillvägagångssättet omfattade kylvatten till dess så kallade temperatur med maximal densitet, där asymmetrin förväntas vara starkast manifest, så att den kan upptäckas noggrant.

Det är allmänt känt att is flyter på vatten och att sjöar fryser uppifrån. Detta beror på att vattenmolekyler packas in i en struktur med lägre densitet än flytande vatten - en manifestation av vattnets ovanliga egenskaper:densiteten för flytande vatten ökar strax över fryspunkten och når ett maximum vid fyra grader Celsius (39 grader Fahrenheit) ), den så kallade temperaturen för maximal densitet; denna skillnad i densitet dikterar att vätska alltid ligger under is.

Genom att kyla ner vattnet till denna temperatur, laget använde nukleära magnetiska resonansmetoder (samma typ av tillvägagångssätt är medicinskt vid magnetisk resonansavbildning) för att visa att skillnaden i livslängd för de två jonerna når ett maximivärde (ju längre livslängd, desto långsammare transport). Genom att framhäva skillnaden i livstid, asymmetrin blev tydligt klar.

Som nämnts tidigare, vatten består av en syreatom och två väteatomer, men väteatomerna är relativt rörliga och kan hoppa från en molekyl till en annan, och det är denna hoppning som gör de två joniska arterna så rörliga i vatten.

När vi söker förklaringar till de temperaturberoende egenskaperna, forskarna fokuserade på den hastighet med vilken sådan humle kan uppstå.

Tidigare forskning har visat att två huvudgeometriska arrangemang av vätebindningar (en associerad med varje jon) underlättar humlen. Forskarna fann att en av arrangemangen ledde till betydligt långsammare humle för OH ^- än för H. ⁺ vid fyra grader Celsius. Eftersom detta också är temperaturen för maximal densitet, forskarna ansåg att de två fenomenen måste länkas samman. Dessutom, deras resultat visade att molekylernas hoppbeteende förändrades plötsligt vid denna temperatur.

"Studiet av vattens molekylära egenskaper är av stort intresse på grund av dess centrala roll för att möjliggöra fysiologiska processer och dess allestädes närvarande natur, "säger Jerschow, motsvarande författare till denna studie. "Det nya fyndet är ganska överraskande och kan möjliggöra djupare förståelse av vattens egenskaper och dess roll som vätska i många av naturens fenomen."

Tuckerman, som var en av de första forskarna att förutsäga asymmetrin i transportmekanismerna och skillnaden i vätebindningsarrangemangen, säger, "Det är glädjande att få detta tydliga experimentella bevis att bekräfta våra tidigare förutsägelser. Vi söker för närvarande nya sätt att utnyttja asymmetrin mellan H ⁺ och OH ^- transport för att designa nya material för ren energi, och att veta att vi börjar med en korrekt modell, det är centralt för vår fortsatta utveckling. "

En stor del av annan forskning, allt från studier av enzymfunktionen i kroppen till att förstå hur levande organismer kan trivas under hårda förhållanden, inklusive minusgrader och mycket sura miljöer, kommer också att påverkas av teamets resultat.