Vloeibaar water ondersteunt het leven op aarde, maar de fysieke eigenschappen ervan blijven mysterieus onder wetenschappelijke onderzoekers. Onlangs, een team van Zwitserse onderzoekers gebruikte bestaande THz-spectroscopietechnieken om de waterstofbinding van vloeibaar water te meten. Toekomstige inspanningen met deze techniek zouden op een dag de bijzondere eigenschappen van water kunnen helpen verklaren. Het team rapporteert hun bevindingen in The Journal of Chemical Physics .

"Wat dit papier speciaal maakt, is het aspect van THz-spectroscopie van een vloeistof. In het THz-bereik, we maken spectroscopie expliciet van de intermoleculaire vrijheidsgraden van het systeem in de studie, om het te contrasteren met intramoleculaire vrijheidsgraden, " zei Peter Hamm, een auteur op papier. "Met THz-spectroscopie, we kunnen heel direct kijken naar de waterstofbinding tussen verschillende watermoleculen."

Onderzoekers gebruiken spectroscopie om de interactie van materie met licht te meten en de fysieke samenstelling van iets af te leiden. In dit experiment, de onderzoekers opgewonden een kleurstofmolecuul opgelost in water met een ultrakorte zichtbare laserpuls, het veranderen van de ladingsverdeling. Vervolgens, een THz-puls mat de respons van de omringende watermoleculen als functie van de tijd na dat excitatieproces.

THz-spectroscopie, die relatief laagfrequent is, stelt onderzoekers in staat om de krachten tussen watermoleculen te onderzoeken. Het observeren van deze intermoleculaire krachten kan onderzoekers helpen de anomalieën van water te begrijpen, omdat waterstofbruggen in vloeibare watermoleculen veel van de onverwachte eigenschappen van water vormen, zoals zijn ongebruikelijke dichtheidsmaximum bij 4 graden Celsius.

"De respons die we vonden in het THz-frequentiebereik was verrassend traag. Water wordt doorgaans beschouwd als een zeer snel oplosmiddel met een respons in het subpicosecondebereik, maar we vonden een tijdschaal rond 10 picoseconden in de THz, "Zei Hamm. Ze schreven de trage tijdschaal toe aan de collectieve aard van de waterrespons die werd onderzocht met behulp van THz-spectroscopie.

Hamm verduidelijkte dat onderzoekers al meer dan 20 jaar THz-spectroscopie gebruiken en waarschuwde optimisme over de resultaten. "Het resultaat was vaak een beetje teleurstellend omdat de THz-spectra van vloeistoffen zoals water extreem breed en wazig zijn, en het is erg moeilijk om daar informatie uit te halen, " zei hij. Tijdsopgeloste technieken, zoals in deze studie, zou die beperking kunnen overwinnen.

Volgende, de onderzoekers zijn van plan hun methode te gebruiken om naar de structuur en dynamiek van water te kijken als het nog vloeibaar is, maar onder het vriespunt. Hamm legde uit, "De bijzondere eigenschappen van water worden beduidend meer uitgesproken als men naar temperaturen onder het vriespunt gaat."