Vatten är allestädes närvarande och nödvändigt för livet. Ändå, experimentell information om dess beteende på atomnivå – framför allt hur den interagerar med ytor – är knapphändig. Tack vare en ny experimentell metod, TU Graz-forskare har nu levererat insikter om vattenmolekylers rörelse på atomnivå, som de beskriver i ett papper i Naturkommunikation .

Vatten är ett mystiskt ämne. Att förstå dess beteende i atomär skala är fortfarande en utmaning för experimentalister eftersom de lätta väte- och syreatomerna är svåra att observera med konventionella experimentella sonder. Detta gäller särskilt när man försöker observera den mikroskopiska rörelsen av enskilda vattenmolekyler som sker på en pico-sekunds tidsskala.

Som rapporterats i deras tidning, forskare från gruppen Exotic Surfaces vid TU Graz Institute of Experimental Physics gick samman med motsvarigheter från Cavendish Laboratory vid University of Cambridge, University of Surrey och Aarhus University.

Tillsammans, de gjorde betydande framsteg, forska om vattnets beteende på ett material som för närvarande tilldrar sig särskilt intresse:den topologiska isolatorn vismuttellurid.

Denna förening kan användas för att bygga kvantdatorer. Vattenånga skulle då vara en av de miljöfaktorer som tillämpningar baserade på vismuttellurid kan utsättas för under drift.

Under sin forskning, teamet använde en kombination av en ny experimentell metod som kallas heliumspin-ekospektroskopi och teoretiska beräkningar. Heliumspin-ekospektroskopi använder heliumatomer med mycket låg energi som gör att isolerade vattenmolekylers rörelse kan observeras utan avbrott.

Forskarna upptäckte att vattenmolekyler beter sig helt annorlunda på vismuttellurid jämfört med de på konventionella metaller. De rapporterar tydliga bevis för frånstötande interaktioner mellan vattenmolekyler, vilket strider mot förväntningarna att attraktiva interaktioner dominerar beteendet och aggregationen av vatten på ytor.

Vismuttellurid verkar vara okänsligt för vatten, vilket är en fördel för applikationer under typiska miljöförhållanden. Planer finns för ytterligare experiment på liknande strukturerade ytor, avsedd att klargöra om vattenmolekylernas rörelse kan tillskrivas specifika egenskaper hos ytan i fråga.