Water is overal. Maar het is niet overal hetzelfde. Wanneer bevroren onder extreme druk en temperaturen, ijs neemt een reeks complexe kristallijne structuren aan.

Veel van de eigenschappen en gedragingen van deze exotische ijssoorten blijven mysterieus, maar een team van onderzoekers heeft onlangs nieuw inzicht verschaft. Ze analyseerden hoe watermoleculen met elkaar interageren in drie soorten ijs en ontdekten dat de interacties sterk afhingen van de oriëntatie van de moleculen en de algehele structuur van het ijs. De onderzoekers beschrijven hun resultaten in The Tijdschrift voor Chemische Fysica .

"Het nieuwe werk heeft ons spectaculaire nieuwe inzichten gegeven over hoe watermoleculen zich gedragen wanneer ze verpakt zijn in dichte en structureel complexe omgevingen, " zei Christoph Salzmann van het University College London. "Uiteindelijk, deze kennis zal ons in staat stellen om zowel vloeibaar water als water rondom biomoleculen veel beter te begrijpen."

Water is, natuurlijk, essentieel voor het leven zoals we dat kennen. Maar het is ook uniek vanwege zijn gebogen moleculaire vorm, met twee waterstofatomen die schuin aan een zuurstofatoom hangen. Het totale molecuul heeft een elektrische polariteit, met positief en negatief geladen kanten. Door deze eigenschappen watermoleculen kunnen op verschillende manieren in elkaar passen wanneer ze stollen tot ijs.

Omdat water op aarde meestal bevriest, de moleculen assembleren tot een rooster met structurele eenheden in de vorm van zeshoeken. Maar bij extreem hoge drukken en lage temperaturen, de moleculen kunnen zichzelf op meer complexe manieren rangschikken, vormen 17 verschillende fasen, waarvan sommige mogelijk bestaan ​​op de ijzige manen van de buitenste planeten.

Hoewel de structuren zelf bekend zijn, wetenschappers begrijpen nog niet volledig hoe de moleculen op elkaar inwerken en elkaar beïnvloeden, zei Peter Hamm van de Universiteit van Zürich. In deze ijsfasen de moleculen zijn aan elkaar gebonden, die elkaar beïnvloeden alsof ze allemaal met veren verbonden zijn.

Om deze interacties te begrijpen, Salzmann, Hamm en hun team gebruikten 2D-infraroodspectroscopie op drie ijsfasen met verschillende structuren:ijs II, ijs V en ijs XIII. Bij deze methode, ze vuurden een reeks ultrakorte infrarood laserpulsen af ​​om de moleculaire bindingen in het ijs te activeren, waardoor ze gaan trillen.

Naarmate de moleculaire trillingen weer tot rust komen in een lagere energietoestand, het molecuul zendt licht uit op infrarode frequenties. Door te meten hoe de intensiteit van de infraroodemissie afhangt van de frequenties van zowel de puls als de uitgezonden straling - waardoor 2D-spectra worden geproduceerd - kunnen de onderzoekers bepalen hoe de moleculen met elkaar omgaan.

Na het verzamelen van gegevens op het ijs, waarvan sommige moesten worden ingevroren bij minder dan -200 graden Celsius en bij een druk die duizenden keren hoger was dan die van de atmosfeer op zeeniveau, de onderzoekers gebruikten computersimulaties van moleculaire interacties om hun resultaten te helpen interpreteren. Hoewel de simulaties overeenkwamen met de gegevens voor ijs II, dat deden ze niet voor ijs V en XIII, dat spreekt tot de complexiteit van het systeem.

Nog altijd, inzichten uit dit soort analyse kunnen helpen bij het informeren van computersimulaties die worden gebruikt om het gedrag van biologische moleculen zoals eiwitten, die meestal omgeven zijn door water.

"Waterijs is belangrijk, en we moeten het op een zeer microscopisch niveau kunnen begrijpen, Hamm zei. "Dan kunnen we beter begrijpen hoe water interageert met andere moleculen, en in het bijzonder biomoleculen."