Forskare på avdelningen för kemisk fysik vid Fysikum, Stockholms universitet, presenterar i senaste numret av Nature Communications nya rön kring vätebindningar i flytande vatten.
Med en kombination av röntgenspridningsexperiment och datorsimuleringar har man visat hur vätebindningsomgivningen varierar, och hur dessa fluktuationer påverkar vibrationerna i vattenmolekylerna. Dessa dynamiska egenskaper bestämmer styrkan i molekylernas växelverkan och hur vattnet påverkas av andra ämnen, som biomolekyler.

Inelastisk röntgenspridning
I (resonant) inelastisk röntgenspridning induceras molekylrörelse kring enskilda syreatomer i vattnet. Energiskillnaden mellan inkommande och utgående röntgenljus motsvarar energiexcitationer av kvantiserade vibrationer i vattenmolekylerna. Särskilt höga excitationer av vibrationer i O-H bindningarna ger information of vätebindningarna mellan vattenmolekylerna. Bild: Vinicius Vaz da Cruz

Man kan undersöka de kvantiserade vibrationerna hos vattenmolekyler med inelastisk röntgenspridning och kvantmekaniska beräkningar, och därmed följa dynamiken för olika vibrationer i vattnet (Läs blogginlägg: Vad röntgenstrålning kan lära oss om vattenmolekylen).

Detaljerad bild av växelverkan

Även i flytande vatten, trots dess många frihetsgrader, kan man identifiera kvantiserade vibrationer och därigenom lära sig något om hur molekylerna växelverkar.

- I vår studie av flytande vatten har vi lyckats tillämpa dessa redskap och koncept på en komplicerat vätska och kunna visa hur den lokala vätebindningsomgivningen varierar, säger Michael Odelius, forskare i teoretisk kemisk fysik vid Stockholms universitet.

Vibrationer i vätskor har tidigare huvudsakligen undersökts med infrarödspektroskopi, och då varit begränsad till de lägsta 2-3 vibrationsnivårerna, medan inelastisk röntgenspridning kan nå kring 10 vibrationsnivåerna för O-H vibrationen i vatten.
I jämförelsen mellan undersökningar av vattenånga och av flytande vatten har man kunnat identifiera hur vätebindingar påverkar vibrationerna.
Detta gör att man får en mycket mer detaljerat bild av växelverkan och kan undersöka energipotentialen längs O-H bindningen.
Med kvantkemiska beräkningar och kvantdynamiska simuleringar har forskarna utarbetat metoder för att direkt från experimenten bestämma hur energipotentialen längs O-H bindningen varierar i flytande vatten, pga fluktuerande vätebindningsomgivning.

Internationellt samarbete

Den internationella studien är ett result av ett fruktsamt och långsiktigt samarbete mellan forskare vid Fysikum, Stockholms universitet, Kungl. Tekniska Högskolan, och Helmholtz Zentrum Berlin, och har möjliggjorts av  komplementär kunskap i röntgenspektroskopi, kvantdynamik och kvantkemi.

Kontakt

Emelie Ertan emelie.ertan@fysik.su.se

Michael Odelius odelius@fysik.su.se

Läs artikeln i Nature Communications:

Probing Hydrogen Bond Strength in Liquid Water by Resonant inelastic X-ray scattering

Forskargruppens hemsida: 

QCMD: Molecular Simulations