Vad händer när is smälter? Svenska forskare i en banbrytande studie
Hur molekylerna binder till varandra i vatten behandlas i en banbrytande studie som publicerades den 1 april på den vetenskapliga tidningenScience website för speciellt heta, förhandspublicerade artiklar, Science Express under rubriken The Structure of the First Coordination Shell in Liquid Water. Studien sammanfattar resultaten av ett internationellt samarbete som letts av forskare vid Stockholms universitet och SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) i Kalifornien.
Det internationella forskarteamet, som också inkluderar BESSY synkrotronljus laboratoriet i Berlin, Linköpings universitet och universitetet i Utrecht, rapporterar att molekylerna i vatten binder samman lösare än man hittills trott. Resultaten pekar på en okänd struktur i vätskan, kedjor eller ringar eller liknande – ett mycket kontroversiellt resultat som kan innebära ett genombrott i förståelsen av vatten.
Redan under antiken betraktades vatten som ett av de fundamentala elementen i naturen. Det är ett av de mest förekommande ämnena på jorden och alla kända former av liv behöver det för sin existens. Trots detta är vattnet – framför allt i vätskeform – fortfarande mycket av ett mysterium. En så fundamental fråga som om vätskan har en inre struktur eller ej har först nu kunnat börja besvaras, dvs. ordnar molekylerna upp sig på speciella sätt eller är vattnet fullständigt oordnat?
Vattenmolekylerna i vätskan och i is hänger samman med så kallade vätebindningar där de något positiva vätena i molekylen binder till det negativt laddade syret i en annan molekyl. Bindningen är relativt svag – ungefär en tiondel av bindningen inom molekylen, vilket ger flexibilitet, men samtidigt är den tillräckligt stark för att molekylerna i vätskan ska vara bundna till varandra. I vanlig is sitter molekylerna ordnade och varje molekyl har fyra grannar: två som dess väten häktar i syret på och två vars ena väte häktar i molekylens syreatom.
När isen smälter är det lätt att förstå att bindningar bryts, det blir oordning och molekylerna börjar flytta sig från det mest stabila läget. I motsats till i den kristallina strukturen bryts och återbildas vätebindningarna kontinuerligt i vätskan på en pikosekund (10-12 sek) tidsskala. Detta ger flexibilitet men kan också vara orsaken till att dessa fluktuerande strukturer i vätskan fortfarande är svåra att undersöka. Så vad händer egentligen när isen smälter?
Den gängse bilden är att ”inte alltför mycket” händer: det har rått samstämmighet i forskarvärlden att varje molekyl i vätskan behåller i genomsnitt nära fyra bindningar. I artikeln framhålls det att denna bild baserar sig på teoretiska antaganden som blivit allmänt vedertagna över de senaste 20 åren i och med att de i datorsimuleringar gett goda resultat för många av vattnets egenskaper.
Det är först nu, genom de nya experimentella tekniker forskarteamet utvecklat, som bilden kunnat testas experimentellt. Författarna visar i arbetet att den etablerade bilden var fel: de nya resultaten visar att antalet bindningar i vätskan är nära hälften jämfört med is, dvs. nära två. Varje molekyl kan fortfarande bilda fyra bindningar men två av dessa blir annorlunda, betydligt svagare. En sådan koordination svarar t.ex. mot kedjor eller ringar, men inte mot en helt oordnad vätska. Dessutom visade det sig att koordinationen förändrar sig mycket lite vid upphettning av vattnet till nära kokpunkten: ”allt” händer redan när isen smälter.
Studien är den första tillämpningen av röntgenabsorptionsspektroskopi på den inre strukturen i vatten. Experimenten gjordes med hjälp av intensiva röntgenkällor vid MAX lab (Lund), Advanced Light Source (Berkeley) och Advanced Photon Source (Chicago). De teoretiska studierna gjordes i form av både kvantmekaniska spektrumberäkningar och dynamik simuleringar. Tyvärr, visade det sig att ingen av de moderna simuleringsmetoderna kunde beskriva de nya data.
Dessa resultat kan leda till en jakt på vattnets struktur. En möjlighet enligt de nya rönen är att molekylerna bildar kedjor eller ringar. Resultaten ger också möjlighet att förfina simuleringsmetoderna så att dessa blir mer tillförlitliga. Detta kan leda till en djupare förståelse av vattnet och sist men inte minst varför just vatten är så viktigt för liv.
Kontaktpersoner:
Lars G.M. Pettersson, Stockholms universitet, tfn 08-5537 8712, 070-4951990. e-post: lgm@physto.se
Anders Nilsson, Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, tfn +1 (650) 926-2233, e-post: nilsson@slac.stanford.edu
Närmare information och bilder finns på http://www.physto.se/~xes
