Water is zonder twijfel de bekendste vloeistof ter wereld. Het speelt een cruciale rol in alle biologische en vele chemische processen. De watermoleculen zelf hebben nauwelijks geheimen. Op school leren we dat water bestaat uit één zuurstofatoom en twee waterstofatomen. We kennen zelfs de typische stompe hoek die de twee O-H-poten met elkaar vormen. Daarnaast weten we wanneer water kookt of bevriest en hoe deze faseovergangen samenhangen met druk.

Maar tussen feiten over individuele moleculen en een dieper begrip van de macroscopische verschijnselen, is er een groot gebied van onzekerheid:er is alleen statistische informatie bekend over het gedrag van de individuele moleculen in normaal vloeibaar water. De watermoleculen in de vloeibare fase vormen een fluctuerend netwerk van waterstofbruggen, ongeordend en dicht, en hun interacties zijn helemaal niet zo goed begrepen als in de gasvormige toestand.

Puur vloeibaar water onderzocht

Nu heeft een team onder leiding van HZB-natuurkundige Dr. Annette Pietzsch zuiver vloeibaar water op kamertemperatuur en normale druk onder de loep genomen. Met behulp van röntgenanalyse bij de Zwitserse lichtbron van het Paul Scherrer Instituut en statistische modellering zijn de wetenschappers erin geslaagd de zogenaamde potentiële energie-oppervlakken van de individuele watermoleculen in de grondtoestand in kaart te brengen, die in een grote verscheidenheid aan vormen voorkomen afhankelijk van hun omgeving.

Trillingen en trillingen gemeten

"Het bijzondere hier is de methode:we hebben de watermoleculen op de ADRESS-bundellijn bestudeerd met behulp van resonante inelastische röntgenverstrooiing. Simpel gezegd, we hebben individuele moleculen heel voorzichtig een duwtje gegeven en vervolgens gemeten hoe ze terugvielen in de grondtoestand", zegt Pietzsch . De laagenergetische excitaties leidden tot rekoscillaties en andere trillingen, die - in combinatie met modelberekeningen - een gedetailleerd beeld van de potentiële oppervlakken opleverden.

"Dit geeft ons een methode om de energie van een molecuul experimenteel te bepalen als functie van zijn structuur", legt Pietzsch uit. "De resultaten helpen om de chemie in water te verlichten, bijvoorbeeld om beter te begrijpen hoe water zich als oplosmiddel gedraagt."

De resultaten zijn gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences .

Vooruitzichten:METRIXS op BESSY II

De volgende experimenten staan ​​al gepland bij de BESSY II röntgenbron bij HZB. Daar hebben Annette Pietzsch en haar team het METRIXS-meetstation opgezet, dat precies is ontworpen voor het onderzoeken van vloeistofmonsters met RIXS-experimenten. "Na de zomerstop vanwege onderhoudswerkzaamheden aan BESSY II, starten we met de eerste tests van onze instrumenten. En dan kunnen we verder." + Verder verkennen

Chemie meten:lokale vingerafdruk van waterstofbinding vastgelegd in experimenten