Forskare vid Stockholms universitet har upptäckt att vatten kan uppvisa ett liknande beteende som för en flytande kristall när det belyses med laserljus. Denna effekt härrör från inriktningen av vattenmolekyler, som uppvisar en blandning av låg- och högdensitetsdomäner som är mer eller mindre benägna att anpassas. Resultaten, rapporterade i Physics Review Letters , är baserade på en kombination av experimentella studier med röntgenlasrar och molekylära simuleringar.

Flytande kristaller betraktades som en ren vetenskaplig nyfikenhet när de först upptäcktes 1888. Över 100 år senare, de är en av de mest använda teknikerna, närvarande i digitala displayer (LCD) av klockor, Tv och datorskärmar. Flytande kristaller fungerar genom att applicera ett elektriskt fält, vilket gör att de närliggande molekylerna i en vätska justeras, på ett sätt som liknar en kristall. Vatten kan också förvrängas mot en flytande kristall, när den belyses med laserljus. Det är känt att laserns elektriska fält kan justera vattenmolekylerna i mindre än en miljarddel av en sekund. Kan denna upptäckt ha framtida tekniska tillämpningar?

Ett internationellt team av forskare vid fysiska institutionen vid Stockholms universitet genomförde experiment med Japans röntgenfri-elektronlaser SACLA och undersökte för första gången dynamiken i övergående orienterade molekyler med hjälp av röntgenpulser. Denna teknik, förlitar sig på att rikta in molekylerna med en laserpuls (med våglängd λ =800 nm) och sondera inriktningen med röntgenpulser, som gör det möjligt att i realtid se förändringarna i strukturen på molekylär nivå. Genom att variera tiden mellan lasern och röntgenpulserna, forskarna kunde lösa det anpassade tillståndet, som bara lever för 160 fs.

"Det är känt att vattenmolekylerna är inriktade på grund av polariseringen av laserpulsen" förklarar Kyung Hwan Kim, tidigare forskare vid Stockholms universitet och för närvarande biträdande professor vid POSTECH University i Korea, "Det är dock en unik förmåga att kunna använda röntgenlasrar för att se den molekylära inriktningen i realtid."

"Röntgenstrålar är perfekta för att sondera molekyler eftersom deras våglängd matchar molekylära längdskala" säger Dr Alexander Späh, tidigare doktorand i fysik vid Stockholms universitet, och är för närvarande postdoc vid Stanford University. "Jag tycker verkligen om att få möjlighet att använda toppmoderna röntgenanläggningar för att undersöka grundläggande frågor som kan ha framtida tekniska tillämpningar."

Experimenten reproducerades väl genom molekylära simuleringar, vilket gav en inblick i den bakomliggande justeringsmekanismen. Genom att anta att vatten beter sig som en vätska med två tillstånd, bestående av hög- och lågdensitetsvätska (HDL och LDL) domäner, forskarna upptäckte att varje domän visar en annan tendens att anpassa sig.

"Vattenmolekyler i LDL -regionerna har ett starkare vätebindningsnät, vilket gör molekylerna lättare att reagera på det starka laserfältet ”förklarar Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet. "Det skulle vara fascinerande att mäta livslängden för den molekylära inriktningen i den överkylda regimen, där allt förväntas avta dramatiskt ”.

"Att kunna förstå vatten på molekylär nivå genom att titta på förändringarna i vätebindningsnätet, kan spela en stor roll i biologisk aktivitet "säger Fivos Perakis, biträdande professor i fysik vid Stockholms universitet. "Jag är nyfiken på att se om den observerade anpassningen kan leda till tekniska tillämpningar i framtiden, till exempel i samband med vattenrening och avsaltning ".