Wetenschappers van de Universiteit van Stockholm hebben ontdekt dat water een soortgelijk gedrag kan vertonen als een vloeibaar kristal wanneer het wordt verlicht met laserlicht. Dit effect ontstaat door de uitlijning van watermoleculen, die een mengsel vertonen van domeinen met lage en hoge dichtheid die min of meer geneigd zijn tot uitlijning. De resultaten, gemeld in Natuurkunde beoordelingsbrieven , zijn gebaseerd op een combinatie van experimentele studies met röntgenlasers en moleculaire simulaties.

Vloeibare kristallen werden als louter wetenschappelijke curiositeit beschouwd toen ze voor het eerst werden ontdekt in 1888. Meer dan 100 jaar later, ze zijn een van de meest gebruikte technologieën, aanwezig in digitale displays (LCD's) van horloges, Tv's en computerschermen. Vloeibare kristallen werken door een elektrisch veld aan te leggen, waardoor de naburige moleculen van een vloeistof op één lijn liggen, op een manier die lijkt op een kristal. Ook water kan worden vervormd naar een vloeibaar kristal, wanneer verlicht met laserlicht. Het is bekend dat het elektrische veld van de laser de watermoleculen minder dan een miljardste van een seconde kan uitlijnen. Kan deze ontdekking toekomstige technologische toepassingen hebben?

Een internationaal team van onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Stockholm voerde experimenten uit bij de Japanse X-ray Free-electron laser SACLA en onderzocht voor het eerst de dynamiek van transiënt georiënteerde moleculen met behulp van röntgenpulsen. Deze techniek, vertrouwt op het uitlijnen van de moleculen met een laserpuls (met golflengte λ =800 nm) en het onderzoeken van de uitlijning met röntgenpulsen, die het mogelijk maken om in realtime de veranderingen in de structuur op moleculair niveau te zien. Door de tijd tussen de laser en de röntgenpulsen te variëren, de onderzoekers waren in staat om de uitgelijnde toestand op te lossen, die slechts voor 160 fs leeft.

"Het is bekend dat de watermoleculen zijn uitgelijnd vanwege de polarisatie van de laserpuls", legt Kyung Hwan Kim uit, voormalig onderzoeker aan de Universiteit van Stockholm en momenteel assistent-professor aan de POSTECH University in Korea, "Het is echter een unieke mogelijkheid om röntgenlasers te kunnen gebruiken om de moleculaire uitlijning in realtime te zien."

"Röntgenstralen zijn perfect voor het onderzoeken van moleculen omdat hun golflengte overeenkomt met de moleculaire lengteschalen", zegt Dr. Alexander Späh, voormalig PhD-student in de natuurkunde aan de Universiteit van Stockholm, en momenteel een postdoc aan de Stanford University. "Ik geniet echt van de mogelijkheid om ultramoderne röntgenfaciliteiten te gebruiken om fundamentele vragen te onderzoeken die toekomstige technologische toepassingen zouden kunnen hebben."

De experimenten werden goed gereproduceerd door moleculaire simulaties, die inzicht gaven in het onderliggende uitlijningsmechanisme. Door aan te nemen dat water zich gedraagt ​​als een vloeistof met twee toestanden, bestaande uit vloeistofdomeinen met hoge en lage dichtheid (HDL en LDL), de onderzoekers ontdekten dat elk domein een andere neiging tot afstemming vertoont.

"Watermoleculen in de LDL-regio's hebben een sterker netwerk van waterstofbruggen, waardoor de moleculen gemakkelijker kunnen reageren op het sterke laserveld", legt Anders Nilsson uit, hoogleraar Chemische Fysica aan de Universiteit van Stockholm. "Het zou fascinerend zijn om de levensduur van de moleculaire uitlijning in het onderkoelde regime te meten, waar alles naar verwachting dramatisch vertragen".

"In staat zijn om water op moleculair niveau te begrijpen door de veranderingen van het waterstofbrugnetwerk te bekijken, kan een grote rol spelen bij de biologische activiteit", zegt Fivos Perakis, assistent-professor in de natuurkunde aan de universiteit van Stockholm. "Ik ben benieuwd of de waargenomen afstemming in de toekomst kan leiden tot technologische toepassingen, bijvoorbeeld in verband met waterzuivering en ontzilting".