Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Vatten är förvisso den mest kända vätskan i världen. Det spelar en avgörande roll i alla biologiska och många kemiska processer. Vattenmolekylerna själva rymmer knappast några hemligheter. I skolan lär vi oss att vatten består av en syreatom och två väteatomer. Vi känner till och med den typiska trubbiga vinkeln som de två O-H-benen bildar med varandra. Dessutom vet vi när vatten kokar eller fryser och hur dessa fasövergångar är relaterade till tryck.
Men mellan fakta om enskilda molekyler och en djupare förståelse av de makroskopiska fenomenen finns ett stort osäkerhetsområde:Endast statistisk information är känd om de enskilda molekylernas beteende i normalt flytande vatten. Vattenmolekylerna i vätskefasen bildar ett fluktuerande nätverk av vätebindningar, oordnade och täta, och deras interaktioner är inte alls lika välkända som i det gasformiga tillståndet.
Rent flytande vatten undersökt
Nu har ett team under ledning av HZB-fysikern Dr Annette Pietzsch tagit en närmare titt på rent flytande vatten vid rumstemperatur och normalt tryck. Med hjälp av röntgenanalys vid Paul Scherrer-institutets schweiziska ljuskälla och statistisk modellering har forskarna lyckats kartlägga de så kallade potentiella energiytorna för de enskilda vattenmolekylerna i grundtillståndet, som finns i en mängd olika former. beroende på deras miljö.
Oscillationer och vibrationer uppmätta
"Det speciella här är metoden:vi studerade vattenmolekylerna på ADRESS-strållinjen med resonant oelastisk röntgenspridning. Enkelt uttryckt knuffade vi enskilda molekyler mycket försiktigt och mätte sedan hur de föll tillbaka till grundtillståndet", säger Pietzsch . Lågenergiexcitationerna ledde till sträckoscillationer och andra vibrationer, vilket – i kombination med modellberäkningar – gav en detaljerad bild av de potentiella ytorna.
"Detta ger oss en metod för att experimentellt bestämma energin hos en molekyl som en funktion av dess struktur", förklarar Pietzsch. "Resultaten hjälper till att upplysa kemin i vatten, till exempel för att bättre förstå hur vatten beter sig som lösningsmedel."
Resultaten publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Outlook:METRIXS på BESSY II
Nästa experiment är redan planerade vid röntgenkällan BESSY II vid HZB. Där har Annette Pietzsch och hennes team satt upp mätstationen METRIXS, som är designad just för att undersöka vätskeprover med RIXS-experiment. "Efter sommaravstängningen på grund av underhållsarbete på BESSY II kommer vi att börja med de första testerna av våra instrument. Och sedan kan vi gå vidare." + Utforska vidare
