Stort forskningsanslag till att förklara vattnets gåta

Varför har vatten så många märkliga egenskaper? Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet, ska nu söka svar på frågan med stöd av ett ERC Advanced Grant från europeiska forskningsrådet ERC.

Vatten är den viktigaste vätskan för vår existens. Inget liv som vi känner till klarar sig utan vatten. Vatten har också många mycket märkliga egenskaper som att tätheten för vätskan är högre än is, att tätheten på vatten är störst vid 4 grader samt att kompressibiliteten (tryckbarhet) ökar när man sänker temperaturen. Det finns sammanlagt över 60 olika egenskaper som gör att vatten skiljer sig på ett märkligt sätt från de flesta vätskor. Dessutom blir dessa ovanliga egenskaper kraftigt förstärkta när man underkyler vatten.

Trots 100 års intensiv forskning finns det fortfarande många frågor som är obesvarade om vattnets inre struktur och dynamik. En utökad kunskap har stor betydelse för många områden inom fysik, kemi, geovetenskap, miljövetenskap, meterologi och biologi.

2,5 miljoner euro i anslag från ERC
Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet, beviljas nu cirka 2,5 miljoner euro av europeiska forskningsrådet ERC för det femåriga projektet “Probing the Structure and Dynamics of Water in its Various States”.

Forskarna ska använda röntgenstrålning från både synkrotronljuskällor och de nya unika röntgenlaserkällorna för att undersöka vattnets inre struktur samt hur den strukturen förändras under extremt korta tidsintervall, vilket ger information om dynamiken i de enskilda molekylerna men också större aggregat.

– Vi kommer att skapa lokala förändringar i elektronmolnen runt vattenmolekylerna genom att röntgenstrålning absorberas. Denna förändring samt den emissionsprocess när en ny röntgenfoton utsöndras kommer att ge viktig information om den lokala omgivningen av de olika vattenmolekylerna, säger Anders Nilsson.

Ultrakorta röntgenpulser undersöker egenskaper
Röntgenstrålning kommer också att spridas mot vattenmolekylerna genom en interferensprocess som ger information om de lokala atompositionerna men också om det finns mer långväga skillnader i strukturen. Forskarna ska använda ultrakorta röntgenpulser från röntgenlaserkällorna för att undersöka de strukturella och dynamiska egenskaperna hos vatten som de underkyler ned till temperaturer långt under fryspunkten. Den korta pulsen ger möjlighet att undersöka vattnet innan det fryser till is om det sker en mycket snabb kylning.

– Vi kommer att få möjlighet att observera om vatten vid mycket låga temperaturer faktiskt kan separera till två olika typer av vatten, vilket har föreslagits i olika teorier. En av de stora frågorna är om en sådan möjlig fasseparation vid den kritiska punkten leder till stora täthetsfluktuationer i vatten under normala förhållanden som kan förklara vattnets märkliga egenskaper. Vi kommer också att undersöka vatten omgivet av joner och små organiska molekyler samt vatten vid olika gränsytor, säger Anders Nilsson.

Forskning flyttar från Stanford till Stockholm
Efter att ha varit verksam vid Stanford University i många år håller Anders Nilsson på att flytta över sin forskning till Stockholms universitet. Detta har blivit möjligt genom ett bidrag om totalt 125 miljoner kronor för tio år som Stockholms universitet beviljats av Vetenskapsrådet inom utlysningen för att rekrytera internationellt framstående forskare.
Förutom Anders Nilsson ingår ytterligare 14 forskare i hans forskargrupp. Idag är hälften av dem vid Stanford University och hälften vid Stockholms universitet. Inom 1-2 år tror Anders Nilsson att hela forskargruppen ska finnas i Stockholm.

Ny verksamhet byggs upp
– Det känns väldigt bra att få anslaget. Med tanke på Vetenskapsrådets rekryteringsanslag och med ERC-anslaget kan jag nu verkligen planera på sikt i lugn och ro. Det betyder att vi kan bygga upp en helt ny verksamhet i Stockholm, säger Anders Nilsson.

Målsättningen är att kunna skapa en övergripande förståelse av vatten i en enkel bild baserat på struktur och dynamik på molekylnivå.
– Utifrån denna bild hoppas vi kunna förklara vattnets alla märkliga egenskaper ifrån varmt tillstånd ändå ned till superkallt samt hur joner och andra molekyler påverkar vattnets struktur.

Finansiering genom EU:s ramprogram
ERC är en del av EU:s ramprogram för forskning och innovation, vilket kallas Horizon 2020. ERC Advanced Grant riktar sig till redan etablerade forskare i världsklass med betydande forskningsinsatser under de senaste tio åren. Anders Nilssons ERC-anslag är det första ERC-anslaget till Stockholms universitet inom ramen för Horizon 2020. Ytterligare sju ERC Advanced Grant har tidigare beviljats till Stockholms universitet, inom EU:s tidigare ramprogram för forskning.