Een nieuwe benadering voor het bestuderen van de viscositeit van water heeft nieuwe inzichten opgeleverd over het gedrag van watermoleculen en kan wegen openen voor op vloeistof gebaseerde elektronica.

Een team van onderzoekers onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy gebruikte een inelastische röntgenverstrooiingstechniek met hoge resolutie om de sterke binding met een waterstofatoom tussen twee zuurstofatomen te meten. Deze waterstofbinding is een kwantummechanisch fenomeen dat verantwoordelijk is voor verschillende eigenschappen van water, inclusief viscositeit, die de weerstand van een vloeistof om te stromen of van vorm te veranderen bepaalt.

Hoewel water de meest voorkomende stof op aarde is, zijn gedrag op moleculair niveau is niet goed begrepen.

"Ondanks alles wat we weten over water, het is een mysterieus, atypische stof die we beter moeten begrijpen om zijn enorme potentieel te ontsluiten, met name op het gebied van informatie- en energietechnologieën, " zei Takeshi Egami, University of Tennessee-ORNL Distinguished Scientist/Professor werkt via het Shull Wollan Center - een gezamenlijk instituut voor neutronenwetenschappen, een ORNL-UT-partnerschap.

De studie van het team, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , aangetoond dat het mogelijk is om in de echte ruimte te tasten, real-time dynamiek van water en andere vloeistoffen. Eerdere studies hebben snapshots opgeleverd van de atomaire structuur van water, maar er is weinig bekend over hoe watermoleculen bewegen.

"De waterstofbinding heeft een sterk effect op de dynamische correlatie tussen moleculen terwijl ze door ruimte en tijd bewegen, maar tot nu toe de gegevens, meestal door optische laserspectroscopie, leverde brede of 'wazige' resultaten op met onduidelijke specificiteit, ' zei Egami.

Voor een duidelijker beeld, het gezamenlijke ORNL-UT-team gebruikte een geavanceerde röntgentechniek die bekend staat als inelastische röntgenverstrooiing om moleculaire beweging te bepalen. Ze ontdekten dat de dynamiek van zuurstof-zuurstofbinding tussen watermoleculen is, verrassend genoeg, niet willekeurig maar sterk gecoördineerd. Wanneer de binding tussen watermoleculen wordt verbroken, de sterke waterstofbruggen zorgen voor een stabiele omgeving gedurende een bepaalde periode.

"We ontdekten dat de hoeveelheid tijd die een molecuul nodig heeft om zijn 'buurmolecuul' te veranderen, de viscositeit van het water bepaalt. " zei Egami. Deze nieuwe ontdekking zou verdere studies stimuleren om controle uit te oefenen over de viscositeit van andere vloeistoffen.

Egami beschouwt het huidige werk als een springplank naar meer geavanceerd onderzoek dat gebruik zal maken van neutronenverstrooiingstechnieken bij de Spallation Neutron Source bij ORNL, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, om de oorsprong van viscositeit en andere dynamische eigenschappen van vloeistoffen verder te bepalen.

De benadering van de onderzoekers kan ook worden gebruikt om het moleculaire gedrag en de viscositeit van ionische, of zout, vloeistoffen en andere vloeibare stoffen, die zou helpen bij de ontwikkeling van nieuwe soorten halfgeleiderapparaten met isolerende lagen van vloeibare elektrolyten, betere batterijen en verbeterde smeermiddelen.