Skip to main content

Vattnets struktur vid -46 ˚C beskrivs i Nature

Pressmeddelande   •   Jun 18, 2014 19:00 CEST

Konstnärlig bild av en vattendroppe som träffas av en enskild puls från röntgenlasern. Dropparna kyls snabbt när de faller i vakuum. Den undre droppen har här redan kristalliserat till is. Genom att klassificera spridningsmönstren från separata droppar kunde vattnets struktur bestämmas ned till -46˚C, vilket är under den homogena kristallisationstemperaturen vid -41˚C. Bild: Greg Stewart, SLAC (omslaget av Nature volym 510, utgåva 7505).

Vattnets struktur förändras kontinuerligt mot den lokala strukturen i is när vätskan kyls djupt under sin fryspunkt. Det visar en ny studie i Nature där ett internationellt team, lett av forskare vid Stockholms universitet, använder världens första hårdröntgenlaser för att mäta vattnets struktur ner till -46˚C.

Trots vattnets betydelse för vår överlevnad och flera hundra års dedikerad forskning är vätskans struktur fortfarande inte helt klargjord. Vattnets annorlunda egenskaper blir extra tydliga under fryspunkten då många av dessa pekar på att vätskan bryter samman kring -45˚C.

– Vi ser att vatten blir en annan vätska vid dessa temperaturer med en struktur som påminner om is. Detta är något som man har spekulerat om länge, men det förvånande är hur snabbt förändringen sker när man kyler ned till dessa låga temperaturer, säger Professor Anders Nilsson som lett studien.

De nya experimenten använder världens första hårdröntgenlaser Linac Coherent Light Source (LCLS), vid SLAC-laboratoriet vid Stanford i Kalifornien, för att ultrasnabbt mäta strukturen av vatten i mikrometerstora vattendroppar som avdunstar i vakuum och då på några millisekunder kyls ner till de eftersökta temperaturerna.

– En unik aspekt med experimentet var att vi kunde mäta strukturen i varje enskild vattendroppe och på så sätt avgöra exakt vilka droppar som hade frusit till is, säger Jonas Sellberg som är förstaförfattare på arbetet och nyligen disputerade vid Fysikum på en avhandling där Nature-arbetet var höjdpunkten.

Figuren ovan visar en konstnärlig illustration av hur en sådan mätning går till. Mikrometerstora vattendroppar faller i vakuum och träffas av mikrometerstora röntgenpulser som genereras av den en kilometer långa röntgenlasermaskinen. Med andra ord ett prickskytte i precisionsklass för att mäta strukturen av vattnet i enskilda vattendroppar. Vid de lägsta temperaturerna frös de flesta dropparna till is (som den understa droppen i illustrationen) men flera hundra undersökta droppar var fortfarande vätska även vid -46 ˚C.

För att få fram vattenstrukturen och temperaturen i dropparna var det nödvändigt att kalibrera mot teoretiska simuleringar.

– Den nära kopplingen mellan experiment och teori har alltid varit kännetecknande för vårt arbetssätt, säger Professor Lars G.M. Pettersson vid Fysikum.

Studien visar att vätskan inte bryter samman som tidigare förutspåtts. I stället förändrar sig strukturen gradvis mot den lokala strukturen i is då vätskan underkyls.

– För att komma vidare i vår förståelse av vatten behövs det flera experiment som kan testa teoretiska hypoteser och därför kommer dessa resultat vara helt unika, sammanfattar Anders Nilsson.

Resultaten kommer att ligga till grund för att förbättra simuleringar och modeller av vatten. Det kommer ta forskningen ett steg närmare en djupare förståelse av vatten och det nätverk av vätebindningar som existerar mellan molekylerna och ger vattnet dess unika egenskaper.

I studien medverkade även Daniel Schlesinger och Thor Wikfeldt vid Fysikum, Stockholms universitet.

Vidare läsning
Det nyligen publicerade arbetet av Jonas A. Sellberg et al. kan läsas här:
http://dx.doi.org/doi:10.1038/nature13266

Beskrivning av röntgenlasern LCLS finns här:
https://slacportal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/Pages/Default.aspx

För ytterligare information
Jonas Sellberg, tfn 08-5537 8657, e-post jonas.sellberg@fysik.su.se
Lars G. M. Pettersson, tfn 08-5537 8712, e-post lgm@fysik.su.se
Anders Nilsson, tfn +1-650-8687558, e-post nilsson@slac.stanford.edu

Anders Nilsson rekryterades nyligen till Fysikum, Stockholms universitet, från Stanford med hjälp av ett anslag på 125 MSEK i Vetenskapsrådets program för rekrytering av internationellt framstående forskare. Se http://www.su.se/om-oss/press-media-nyheter/pressrum/universitet-f%C3%A5r-125-miljoner-f%C3%B6r-topprekrytering-1.167637

Stockholms universitet är ett av Europas ledande universitet i en av världens mest dynamiska huvudstäder. Hos oss är fler än 60 000 studenter, 1800 doktorander och 5000 medarbetare verksamma inom det naturvetenskapliga och humanistisk-samhällsvetenskapliga området. En relation med Stockholms universitet är meriterande oavsett om du är student, forskare eller intressent. Hos oss ger utbildning och forskning resultat. www.su.se

Kommentarer (0)

Lägg till kommentar

Kommentera

Genom att skicka din kommentar accepterar du att dina personuppgifter behandlas i enlighet med Mynewsdesks Integritetspolicy.