Røntgenlaseren avslører ultrasnabb dans av flytende vann

Anonim

Vannets mangel på farge, smak og lukt gjør det til å virke enkelt - og på molekylært nivå er det. Men når mange vannmolekyler kommer sammen, danner de et svært komplekst nettverk av hydrogenbindinger. Dette nettverket antas å være ansvarlig for mange av de spesielle egenskapene til flytende vann, men dets oppførsel er ennå ikke fullt ut forstått.

Nå har forskere undersøkt bevegelsene til molekyler i flytende vann som forekommer i mindre enn 100 millionths av en milliarddel av et sekund eller femtosekunder. Et internasjonalt team ledet av forskere ved Stockholms universitet gjennomførte eksperimenter med LACS-røntgenlaseren (Linac Coherent Light Source) ved Department of Energy SLAC National Accelerator Laboratory. De publiserte sin rapport denne uken i Nature Communications.

Studien er den første til å "fotografere" vannmolekyler på denne tidsplanen med en teknikk som kalles ultrafast røntgenfotonkorrelasjonsspektroskopi, som spretter røntgenstråler fra molekylene for å produsere en rekke diffraksjonsmønstre. Varieringen av røntgenpulser varierer i hovedsak eksponeringstiden, og enhver bevegelse av vannmolekylene under eksponering vil utrydde det resulterende bildet. Ved å analysere uskarpheten som ble produsert av forskjellige eksponeringstider, var forskerne i stand til å trekke ut informasjon om molekylær bevegelse.

På denne tidsrammen ble det antatt at vannmolekyler beveger seg tilfeldig på grunn av varme, oppfører seg mer som en gass enn en væske. Eksperimentene indikerer imidlertid at nettverket av hydrogenbindinger spiller en rolle selv i denne ultrasnotte tidsskalaen, som koordinerer bevegelsene til vannmolekyler i en intrikat dans, som blir enda mer uttalt når vann blir "superkjølt" under dets normale frysepunkt.

"Nøkkelen til å forstå vann på molekylært nivå er å se på endringene i hydrogenbindingsnettet, som kan spille en viktig rolle i biologisk aktivitet og liv som vi vet, " sier Anders Nilsson, professor ved Stockholms universitet og tidligere professor på SLAC.

Legger til universitetsforsker Fivos Perakis, "Det er en helt ny evne til å kunne bruke røntgenlasere til å se bevegelsen av molekyler i sanntid. Dette kan åpne opp et helt nytt undersøkelsesområde på disse tidsplanene, kombinert med den unike strukturelle følsomheten til røntgenstråler. "

De eksperimentelle resultatene ble reprodusert ved datasimuleringer, hvilket indikerer at den koordinerte dansen av vannmolekyler skyldes dannelsen av forbigående tetraedrale strukturer.

"Jeg har studert dynamikken i flytende og superkjølt vann i lang tid med datasimuleringer, og det er veldig spennende å endelig kunne sammenligne med eksperimenter, " sier Gaia Camisasca, en postdoktoralforsker ved Stockholms Universitet som utførte datasimuleringene for denne studien. "Jeg ser frem til å se fremtidige resultater som kan komme ut av denne teknikken, noe som kan bidra til å forbedre dagens vannmodellmodeller."

menu
menu