Bara vanligt vatten

Istället för läroböckernas homogena vätska med alla molekyler i likartad, distorderad tetraedrisk bindning består vatten av molekyler uppdelade i två olika typer av strukturer. Den ena är väldigt oordnad med ospecifika bindningar medan den andra är starkt tetraedriskt bunden med riktade bindningar. Denna heterogena bild av vatten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Bakom artikeln står forskare vid Stockholms universitet i ett internationellt samarbete. Genom en kombination av experiment och teoretiska simuleringar konstaterar också forskarna att de tetraedriska strukturerna klumpar ihop sig på en längdskala av 1-2 nm i dynamisk jämvikt med de oordnade regionerna.

Vatten är unikt som vätska med 66 kända anomalier, det vill säga egenskaper som avviker från normalt beteende. I motsats till vanliga vätskor har vatten till exempel högst densitet vid 4 °C, en ovanligt hög värmekapacitivitet och hög ytspänning.

- Att förstå dessa anomalier är viktigt eftersom vatten är basen för vår existens - utan vatten, inget liv. Våra resultat bidrar till att förklara egenskaperna på en molekylär nivå, säger Anders Nilsson, professor vid Stanfords synkrotronljuskälla SSRL och dessutom gästprofessor i kemisk fysik vid Stockholms universitet.

Mätningarna utförs med kraftfulla fokuserade röntgenstrålar genererade av synkrotronen vid SSRL i Kalifornien och vid SPring-8 i Japan. Experimenten stöds av teoretiska simuleringar av strukturer och spektra.

- Resultaten är kontroversiella då de går på tvärs mot den etablerade bilden av vatten baserad på tidigare experiment och simuleringar. Vi har dock visat att tidigare experimentella data också kan tolkas med en heterogen blandning av strukturer, säger Lars G.M. Pettersson, professor i kvantkemi vid Stockholms universitet.

Experimenten med spridning av röntgenstrålar utnyttjade att de tetraedriska strukturerna, liksom is, tar större volym och därmed ger en lägre densitet och spridningskontrast mot den oordnade, mer tätpackade omgivningen. Storleken kunde bestämmas till 1-2 nm, det vill säga kring 100 molekyler, utan att variera speciellt med temperaturen. Med ökande temperatur blir de tetraedriska strukturerna färre och de oordnade mer oordnade och expanderar då de tar upp energi, men den fluktuerande mixen av strukturer visar sig existera hela vägen upp mot kokpunkten.

- Bilden av en fluktuerande blandning av strukturer har använts för att förstå underkylt vatten, det vill säga vatten i ett ovanligt tillstånd långt under fryspunkten. Vid vanliga temperaturer är detta istället väldigt oväntat och kan få stora konsekvenser för vår förståelse av vatten i t ex biologi och kemi men också för klimat, miljö och energiforskning. Två strukturer i dynamisk jämvikt ger ökad komplexitet men också en enkel förståelse av många av vattnets anomalier, säger Anders Nilsson.

Ytterligare information
Lars G.M. Pettersson, professor, FYSIKUM, AlbaNova, Stockholms universitet. mobil 070-495 1990. Email: lgm@fysik.su.se

Anders Nilsson, professor, Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), Stanford University, CA. tfn +1-650-926 22 33. Email: nilsson@slac.stanford.edu

För bild
press@su.se eller 08-16 40 90.