Onderzoekers van de Universiteit van Tokyo hebben computationele methoden en analyse van recente experimentele gegevens gebruikt om aan te tonen dat watermoleculen in vloeibare toestand twee verschillende structuren hebben. Het team onderzocht de verstrooiing van röntgenfotonen door watermonsters en toonde een bimodale verdeling verborgen onder de eerste diffractiepiek die het gevolg was van tetraëdrische en niet-tetraëdrische rangschikkingen van watermoleculen. Dit werk kan belangrijke implicaties hebben voor de hele wetenschap, maar vooral met betrekking tot levende systemen, zoals eiwitten en celstructuren, die sterk worden beïnvloed door hun omringende watermoleculen.

Gezien de alomtegenwoordigheid van water op onze planeet en de centrale rol die het speelt in al het bekende leven, het is misschien moeilijk te geloven dat er nog iets te leren valt over deze meest bekende vloeistof. Een eenvoudig molecuul dat bestaat uit slechts twee waterstofatomen en één zuurstof; water verbergt nog steeds fundamentele mysteries die nog moeten worden ontrafeld. Bijvoorbeeld, water heeft ongewoon hoge smelt- en kookpunten, en zet zelfs uit als het bevriest (in tegenstelling tot de meeste vloeistoffen, welke overeenkomst). Deze en andere ongebruikelijke eigenschappen maken het heel anders dan bijna alle andere vloeistoffen, maar laat het leven zoals we het kennen ook bestaan.

De gekheid van water kan het best worden begrepen door na te denken over de zeer unieke interacties tussen H ₂ O-moleculen - de waterstofbrug. Water heeft de neiging om vier waterstofbruggen te vormen met zijn vier buren, wat leidt tot tetraëdrische arrangementen van de buren. Dergelijke opstellingen kunnen grotendeels worden vervormd onder thermische fluctuaties. Echter, of de vervorming leidt tot het naast elkaar bestaan ​​van verschillende tetraëdrische en niet-tetraëdrische arrangementen is controversieel gebleven.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de Universiteit van Tokio hebben computersimulaties en de analyse van verstrooiende experimentele gegevens gecombineerd om de "structuurfactor" van water te vinden - de wiskundige functie die de paden van verspreide röntgenstralen weergeeft wanneer ze de waterstof- en zuurstofatomen verstrooien. De analyse toonde twee overlappende pieken die verborgen waren in de eerste diffractiepiek van de structuurfactor. Een van deze pieken kwam overeen met de afstand tussen zuurstofatomen zoals in gewone vloeistoffen, terwijl de ander een grotere afstand aangaf, als in een tetraëdrische opstelling. "De combinatie van nieuwe computationele methoden en analyse van recente röntgenverstrooiingsgegevens stelde ons in staat om te zien wat niet zichtbaar was in eerder werk, " legt eerste auteur van de studie Rui Shi uit.

Deze ontdekking kan enorme implicaties hebben op veel wetenschappelijke gebieden. Het kennen van de exacte structurele ordening van water is van cruciaal belang voor een volledig begrip van de moleculaire biologie, scheikunde, en zelfs vele industriële toepassingen. "Het geeft veel voldoening om de vloeibare structuur van zo'n fundamentele stof te kunnen ontrafelen, " zegt senior auteur Hajime Tanaka.