Technik

Röntgenlaser zeigt ultraschnellen Tanz von flüssigem Wasser

Wasser ist komplizierter als es scheint. Eine Studie, die von Forschern der Universität Stockholm durchgeführt wurde, hat die Bewegungen ihrer Moleküle auf einer Millionstel Milliardstel Sekunde untersucht.

Der Mangel an Farbe, Geschmack und Geruch macht Wasser einfach – und auf molekularer Ebene. Wenn jedoch viele Wassermoleküle zusammenkommen, bilden sie ein hochkomplexes Netzwerk von Wasserstoffbrücken. Es wird angenommen, dass dieses Netzwerk für viele der besonderen Eigenschaften von flüssigem Wasser verantwortlich ist, aber sein Verhalten ist noch nicht vollständig verstanden.

Jetzt haben Forscher die Bewegungen von Molekülen in flüssigem Wasser untersucht, die in weniger als 100 Millionstel einer Milliardstel Sekunde oder Femtosekunden auftreten. Ein internationales Team unter Leitung von Forschern der Universität Stockholm führte am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums die Experimente mit dem Linac Coherent Light Source (LCLS) -Röntgenlaser durch. Sie haben diesen Bericht in dieser Woche in Nature Communications veröffentlicht.

Die Studie ist die erste, die Wassermoleküle auf dieser Zeitskala mit einer Technik namens Ultrakurzzeit-Röntgenphotonen-Korrelationsspektroskopie “fotografiert”, die Röntgenstrahlenimpulse von den Molekülen abprallt, um eine Reihe von Beugungsmustern zu erzeugen. Die Variation der Dauer der Röntgenpulse variiert im Wesentlichen die Belichtungszeit, und jede Bewegung der Wassermoleküle während einer Belichtung wird das resultierende Bild verwischen. Durch die Analyse der durch unterschiedliche Belichtungszeiten verursachten Unschärfe konnten die Wissenschaftler Informationen über die molekulare Bewegung gewinnen.

Auf dieser Zeitskala wurde angenommen, dass sich Wassermoleküle aufgrund von Wärme zufällig bewegen und sich eher wie ein Gas als eine Flüssigkeit verhalten. Die Experimente zeigen jedoch, dass das Netzwerk der Wasserstoffbrücken auch auf dieser ultraschnellen Zeitskala eine Rolle spielt und die Bewegungen der Wassermoleküle in einem komplizierten Tanz koordiniert, der noch ausgeprägter wird, wenn Wasser unter seinem normalen Gefrierpunkt “unterkühlt” wird.

“Der Schlüssel zum Verständnis von Wasser auf molekularer Ebene ist die Beobachtung der Veränderungen des Wasserstoffbrückenbindungsnetzes, die eine wichtige Rolle in der biologischen Aktivität und im Leben, wie wir es kennen, spielen können”, sagt Anders Nilsson, Professor an der Universität Stockholm und ehemaliger Professor bei SLAC.

Fivos Perakis, Forscher an der Stockholmer Universität, fügt hinzu: “Es ist eine brandneue Fähigkeit, mit Hilfe von Röntgenlasern die Bewegung von Molekülen in Echtzeit beobachten zu können. Dies kann ein völlig neues Feld von Untersuchungen zu diesen Zeitpunkten eröffnen, kombiniert mit der einzigartigen strukturellen Empfindlichkeit von Röntgenstrahlen. ”

Die experimentellen Ergebnisse wurden durch Computersimulationen reproduziert, die darauf hinweisen, dass der koordinierte Tanz von Wassermolekülen auf die Bildung transienter tetraedrischer Strukturen zurückzuführen ist.

“Ich habe die Dynamik von flüssigem und unterkühltem Wasser lange Zeit mittels Computersimulationen untersucht und es ist sehr spannend, endlich mit Experimenten direkt vergleichen zu können”, sagt Gaia Camisasca, Postdoktorandin an der Universität Stockholm, die die Computersimulationen durchgeführt hat für diese Studie. “Ich freue mich darauf, die zukünftigen Ergebnisse zu sehen, die sich aus dieser Technik ergeben, die zur Verbesserung der aktuellen Wassercomputermodelle beitragen können.”

LCLS ist eine DOE Office of Science Benutzereinrichtung. Thomas J. Lane von SLAC, Sanghoon Song, Takahiro Sato, Marcin Sikorski, Andre Eilert, Trevor McQueen, Hirohito Ogasawara, Dennis Nordlund, Jake Koralek, Silke Nelson, Philip Hart, Roberto Alonso-Mori, Yiping Feng, Diling Zhu und Aymeric Robert zu dieser Studie, zusammen mit Forschern von KTH Royal Institute of Technology in Stockholm und DESY in Hamburg.

Über SLAC
SLAC ist ein Multi-Programm-Labor, das Grenzfragen in Photonenwissenschaft, Astrophysik, Teilchenphysik und Beschleunigerforschung erforscht. Das SLAC in Menlo Park, Kalifornien, wird von der Stanford University für das Office of Science des US Department of Energy betrieben.

SLAC National Accelerator Laboratory wird vom Office of Science des US Department of Energy unterstützt. Das Office of Science ist der größte Unterstützer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit zu bewältigen.

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