Het gebrek aan kleur van water, smaak en geur laten het eenvoudig lijken - en op moleculair niveau, het is. Echter, wanneer veel watermoleculen samenkomen, vormen ze een zeer complex netwerk van waterstofbruggen. Aangenomen wordt dat dit netwerk verantwoordelijk is voor veel van de bijzondere eigenschappen van vloeibaar water, maar zijn gedrag is nog niet volledig begrepen.

Nu hebben onderzoekers de bewegingen van moleculen in vloeibaar water onderzocht die plaatsvinden in minder dan 100 miljoenste van een miljardste van een seconde, of femtoseconden. Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Stockholm voerde de experimenten uit met de Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy. Zij publiceerden hun rapport deze week in Natuurcommunicatie .

De studie is de eerste die watermoleculen op deze tijdschaal "fotografeert" met een techniek genaamd ultrasnelle röntgenfotoncorrelatiespectroscopie, die röntgenstralen weerkaatst, van de moleculen af ​​om een ​​reeks diffractiepatronen te produceren. Het variëren van de duur van de röntgenpulsen varieert in wezen de belichtingstijd, en elke beweging van de watermoleculen tijdens een belichting zal het resulterende beeld vervagen. Door de vervaging te analyseren die wordt veroorzaakt door verschillende belichtingstijden, de wetenschappers waren in staat om informatie over de moleculaire beweging te extraheren.

Op deze tijdschaal, er werd aangenomen dat watermoleculen willekeurig bewegen door warmte, gedraagt ​​zich meer als een gas dan als een vloeistof. Echter, de experimenten geven aan dat het netwerk van waterstofbruggen zelfs op deze ultrasnelle tijdschaal een rol speelt, het coördineren van de bewegingen van watermoleculen in een ingewikkelde dans, die nog meer uitgesproken wordt wanneer water onder het normale vriespunt wordt "onderkoeld".

"De sleutel tot het begrijpen van water op moleculair niveau is kijken naar de veranderingen van het waterstofbrugnetwerk, die een belangrijke rol kunnen spelen in de biologische activiteit en het leven zoals wij dat kennen, " zegt Anders Nilsson, een professor aan de Universiteit van Stockholm en voormalig professor aan SLAC.

Voegt onderzoeker Fivos Perakis van de Universiteit van Stockholm toe, "Het is een gloednieuwe mogelijkheid om röntgenlasers te kunnen gebruiken om de beweging van moleculen in realtime te zien. Dit kan een heel nieuw onderzoeksgebied op deze tijdschalen openen, gecombineerd met de unieke structurele gevoeligheid van röntgenstralen."

De experimentele resultaten werden gereproduceerd door computersimulaties, die aangeven dat de gecoördineerde dans van watermoleculen te wijten is aan de vorming van voorbijgaande tetraëdrische structuren.

"Ik heb lange tijd de dynamiek van vloeibaar en onderkoeld water bestudeerd met behulp van computersimulaties, en het is heel spannend om eindelijk direct te kunnen vergelijken met experimenten, " zegt Gaia Camisasca, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Stockholm die de computersimulaties voor deze studie heeft uitgevoerd. "Ik kijk uit naar de toekomstige resultaten die uit deze techniek kunnen komen, die kunnen helpen bij het verbeteren van de huidige watercomputermodellen."