Vatten är den rikligaste men minst förstådda vätskan i naturen. Det uppvisar många konstiga beteenden som forskare fortfarande kämpar för att förklara. Medan de flesta vätskor blir tätare när de blir kallare, vattnet är tätast vid 39 grader Fahrenheit, strax över sin fryspunkt. Det är därför is flyter till toppen av ett dricksglas och sjöar fryser från ytan och ner, gör det möjligt för marint liv att överleva kalla vintrar. Vatten har också en ovanligt hög ytspänning, låta insekter gå på dess yta, och stor kapacitet att lagra värme, hålla havstemperaturen stabil.

Nu, ett team som inkluderar forskare från Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University och Stockholms universitet i Sverige har gjort den första direkta observationen av hur väteatomer i vattenmolekyler drar och trycker på närliggande vattenmolekyler när de exciteras med laserljus. Deras resultat, publiceras i Natur i dag, avslöja effekter som kan ligga till grund för viktiga aspekter av det mikroskopiska ursprunget till vattnets konstiga egenskaper och kan leda till en bättre förståelse för hur vatten hjälper proteiner att fungera i levande organismer.

"Även om denna så kallade kärnkvanteffekt har antagits vara kärnan i många av vattnets konstiga egenskaper, detta experiment markerar första gången det någonsin observerades direkt, sa studiesamarbetspartner Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet. "Frågan är om denna kvanteffekt kan vara den felande länken i teoretiska modeller som beskriver vattnets anomala egenskaper."

Varje vattenmolekyl innehåller en syreatom och två väteatomer, och en väv av vätebindningar mellan positivt laddade väteatomer i en molekyl och negativt laddade syreatomer i närliggande molekyler håller ihop dem alla. Detta intrikata nätverk är drivkraften bakom många av vattnets oförklarliga egenskaper, men tills nyligen, forskare kunde inte direkt observera hur en vattenmolekyl interagerar med sina grannar.

"Den låga massan av väteatomerna accentuerar deras kvantvågliknande beteende, " sa kollaboratören Kelly Gaffney, en forskare vid Stanford Pulse Institute vid SLAC. "Denna studie är den första som direkt visar att vätebindningsnätverkets svar på en energiimpuls beror kritiskt på den kvantmekaniska naturen hos hur väteatomerna är fördelade, som länge har föreslagits vara ansvarig för de unika egenskaperna hos vatten och dess vätebindningsnätverk."

Älska din nästa

Tills nu, att göra denna observation har varit utmanande eftersom vätebindningarnas rörelser är så små och snabba. Detta experiment övervann det problemet genom att använda SLAC:s MeV-UED, en höghastighets "elektronkamera" som upptäcker subtila molekylära rörelser genom att sprida en kraftfull elektronstråle från prover.

Forskargruppen skapade 100 nanometer tjocka strålar av flytande vatten - ungefär 1, 000 gånger tunnare än bredden på ett människohår – och ställ in vattenmolekylerna att vibrera med infrarött laserljus. Sedan sprängde de molekylerna med korta pulser av högenergielektroner från MeV-UED.

Detta genererade högupplösta ögonblicksbilder av molekylernas skiftande atomstruktur som de satte ihop till en stop-motion-film av hur nätverket av vattenmolekyler reagerade på ljuset.

Ögonblicken, som fokuserade på grupper om tre vattenmolekyler, avslöjade att när en exciterad vattenmolekyl börjar vibrera, dess väteatom drar syreatomer från närliggande vattenmolekyler närmare innan de skjuter bort dem med sin nyfunna styrka, utvidga utrymmet mellan molekylerna.

"Under en lång tid, forskare har försökt förstå vätebindningsnätverket med hjälp av spektroskopitekniker, sa Jie Yang, en före detta SLAC-forskare och nu professor vid Tsinghua University i Kina, som ledde studien. "Det fina med detta experiment är att vi för första gången kunde direkt observera hur dessa molekyler rör sig."

Ett fönster mot vatten

Forskarna hoppas kunna använda denna metod för att få mer insikt i vätebindningarnas kvanta natur och vilken roll de spelar för vattnets konstiga egenskaper, såväl som nyckelrollen dessa egenskaper spelar i många kemiska och biologiska processer.

"Det här har verkligen öppnat ett nytt fönster för att studera vatten, sa Xijie Wang, en framstående SLAC-forskare och studiesamarbetspartner. "Nu när vi äntligen kan se vätebindningarna röra sig, vi skulle vilja koppla dessa rörelser med den bredare bilden, som skulle kunna belysa hur vatten ledde till livets uppkomst och överlevnad på jorden och informera utvecklingen av förnybara energimetoder."

MeV-UED är ett instrument för LCLS-användaranläggningen, drivs av SLAC på uppdrag av DOE Office of Science, som finansierade denna forskning.