Water is de meest voorkomende maar minst begrepen vloeistof in de natuur. Het vertoont veel vreemd gedrag dat wetenschappers nog steeds moeilijk kunnen verklaren. Terwijl de meeste vloeistoffen dichter worden naarmate ze kouder worden, water is het meest dicht bij 39 graden Fahrenheit, net boven het vriespunt. Dit is de reden waarom ijs naar de bovenkant van een drinkglas drijft en meren bevriezen van het oppervlak naar beneden, waardoor het zeeleven de koude winters kan overleven. Water heeft ook een ongewoon hoge oppervlaktespanning, insecten op het oppervlak laten lopen, en een grote capaciteit om warmte op te slaan, oceaantemperaturen stabiel te houden.

Nutsvoorzieningen, een team met onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, Stanford University en Stockholm University in Zweden hebben de eerste directe waarneming gedaan van hoe waterstofatomen in watermoleculen aangrenzende watermoleculen trekken en duwen wanneer ze worden geëxciteerd met laserlicht. hun resultaten, gepubliceerd in Natuur vandaag, effecten onthullen die belangrijke aspecten van de microscopische oorsprong van de vreemde eigenschappen van water zouden kunnen ondersteunen en zouden kunnen leiden tot een beter begrip van hoe water eiwitten helpt functioneren in levende organismen.

"Hoewel verondersteld wordt dat dit zogenaamde nucleaire kwantumeffect de kern vormt van veel van de vreemde eigenschappen van water, dit experiment markeert de eerste keer dat het ooit rechtstreeks werd waargenomen, " zei studiemedewerker Anders Nilsson, een professor in de chemische fysica aan de Universiteit van Stockholm. "De vraag is of dit kwantumeffect de ontbrekende schakel zou kunnen zijn in theoretische modellen die de afwijkende eigenschappen van water beschrijven."

Elk watermolecuul bevat één zuurstofatoom en twee waterstofatomen, en een web van waterstofbruggen tussen positief geladen waterstofatomen in één molecuul en negatief geladen zuurstofatomen in naburige moleculen houdt ze allemaal bij elkaar. Dit ingewikkelde netwerk is de drijvende kracht achter veel van de onverklaarbare eigenschappen van water, maar tot voor kort, onderzoekers waren niet in staat om direct te observeren hoe een watermolecuul interageert met zijn buren.

"De lage massa van de waterstofatomen accentueert hun kwantumgolfachtige gedrag, " zei medewerker Kelly Gaffney, een wetenschapper aan het Stanford Pulse Institute bij SLAC. "Deze studie is de eerste die direct aantoont dat de reactie van het waterstofbindingsnetwerk op een energie-impuls kritisch afhangt van de kwantummechanische aard van hoe de waterstofatomen uit elkaar zijn geplaatst, waarvan lang is gesuggereerd dat het verantwoordelijk is voor de unieke eigenschappen van water en het netwerk van waterstofbruggen."

Heb je naaste lief

Tot nu, het maken van deze waarneming was een uitdaging omdat de bewegingen van de waterstofbruggen zo klein en snel zijn. Dit experiment overwon dat probleem door SLAC's MeV-UED te gebruiken, een snelle "elektronencamera" die subtiele moleculaire bewegingen detecteert door een krachtige bundel elektronen van monsters te verstrooien.

Het onderzoeksteam creëerde 100 nanometer dikke jets van vloeibaar water - ongeveer 1, 000 keer dunner dan de breedte van een mensenhaar - en laat de watermoleculen trillen met infrarood laserlicht. Daarna beschoten ze de moleculen met korte pulsen van hoogenergetische elektronen van MeV-UED.

Dit leverde snapshots met hoge resolutie op van de verschuivende atomaire structuur van de moleculen die ze aan elkaar geregen tot een stop-motionfilm van hoe het netwerk van watermoleculen op het licht reageerde.

De momentopnames, die zich richtte op groepen van drie watermoleculen, onthulde dat als een opgewonden watermolecuul begint te trillen, zijn waterstofatoom trekt zuurstofatomen van naburige watermoleculen dichterbij voordat ze met zijn hernieuwde kracht worden weggeduwd, het vergroten van de ruimte tussen de moleculen.

"Voor een lange tijd, onderzoekers hebben geprobeerd het netwerk van waterstofbruggen te begrijpen met behulp van spectroscopietechnieken, " zei Jie Yang, een voormalige SLAC-wetenschapper en nu een professor aan de Tsinghua University in China, die de studie leidde. "Het mooie van dit experiment is dat we voor het eerst direct konden observeren hoe deze moleculen bewegen."

Een raam op het water

De onderzoekers hopen met deze methode meer inzicht te krijgen in de kwantumaard van waterstofbruggen en de rol die ze spelen in de vreemde eigenschappen van water, evenals de sleutelrol die deze eigenschappen spelen in veel chemische en biologische processen.

"Dit heeft echt een nieuw venster geopend om water te bestuderen, " zei Xijie Wang, een SLAC vooraanstaande stafwetenschapper en studiemedewerker. "Nu we eindelijk de waterstofbruggen kunnen zien bewegen, we willen die bewegingen graag verbinden met het bredere plaatje, die licht zou kunnen werpen op hoe water heeft geleid tot de oorsprong en het voortbestaan ​​van het leven op aarde en de ontwikkeling van methoden voor hernieuwbare energie zou kunnen informeren."

MeV-UED is een instrument van de LCLS-gebruikersfaciliteit, beheerd door SLAC namens het DOE Office of Science, die dit onderzoek financierde.