Betydelsen av kvanteffekter i vatten

Med hjälp av ultrasnabb elektrondiffraktion har Anders Nilsson vid Stockholms universitet tillsammans med kollegor vid SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien studerat hur vattenstrukturen ändras efter en snabb förändring i kvantfördelningen av avstånd i den interna bindningen. När kvantantalet ökades med en enhet i den interna OH-sträckningen fann teamet överraskande att vätebindningen stärks. Fyndet publiceras i veckan i tidskriften Nature.

Vatten har ett antal unika egenskaper som att is flyter men borde sjunka, förekomsten av ett densitetsmaximum, ovanligt hög värmekapacitet och många fler underligheter som utgör grunden för havs- och däggdjurslivets möjliga utveckling på planeten Jorden.

För närvarande finns det inga kvantitativa teoretiska modeller baserade på simuleringar som kan beskriva dessa anomala egenskaperna. Det konstaterades av Stockholms forskare för några år sedan att de underliga egenskaperna hos underkylt vatten är avsevärt förstärkta i lätt vatten i jämförelse med tungt vatten (Science 358, 1589 (2017)). Alla bindningsegenskaper ska vara identiska mellan de två isotoperna utom kvantfördelningen av vattnets vibrationsrörelse.

Denna observation pekar på vikten av nukleära kvanteffekter också för de anomala egenskaperna. Frågan är om kvanteffekten kan vara den saknade länken i teoretisk modellering av vatten för att kvantitativt beskriva de anomala egenskaperna

Atomic Motion in Liquid Water Molecules

Ofta tänker vi på H2O-molekylen i en boll-stick-modell med fasta avstånd mellan atomerna. Även vid låg temperatur finns det en nollpunktsrörelse av atomerna och i en kvantbeskrivning har den inre OH-bindningslängden en fördelning av avstånd.

Experimentet som teamet utförde var att excitera molekylerna i vatten med hjälp av en IR -laser med en pulslängd på ~ 100 femtosekunder och sedan använda spridning av elektroner med hög energi med en lika kort pulslängd. Eftersom ett stort momentområde för elektronspridningen mättes blev det möjligt att konvertera data till det verkliga rummet med hjälp av en enkel Fourier Transform-teknik och detektera korrelationerna mellan O-O och O-H avstånden. Experimentet genomfördes med en variabel tidsfördröjning mellan IR -lasern och elektronstrålen som gjorde det möjligt att följa tidsberoende distansförändringar i vatten vid IR-excitation på mycket korta tidsskalor. Vid t = 0 exciteras OH-sträckningen från v = 0 till v = 1 och genererar en annan kvantfördelning av OH-avstånd jämfört med grundtillståndet. Inom 80 femtosekunder detekterades en övergående vätebindningskontraktion på ungefär 0,04 Å, följt av en temperaturförändring på en tidsskala på ~ 1 pikosekund. En avståndsförkortning innebär att vätebindningen har stärkts.

Till en början är denna observation ganska förvånande eftersom det lätt kan antas att lägga till mer energi i OH -stretchvibrationerna torde leda till en bindningsförsvagning. Resultaten visar vikten av kvantkaraktären hos vattenmolekylernas vibrationsrörelse för vätebindningen och därmed också för vattenegenskaperna, i linje med ovanstående observationer.

Detta arbete involverade Anders Nilsson i Kemisk Fysik, Fysikum, Stockholms universitet. Studien gjordes i samarbete med SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, University of California, Davis och University of Nebraska-Lincoln, alla i USA.
Forskarkontakt: Anders Nilsson, andersn@fysik.su.se, +46-73 9946230

Mer information

  • Ytterligare läsning i Nature: Direct Observation of Ultrafast Hydrogen Bond Strengthening in Liquid Water by Jie Yang et al: Nature 25 August 2021 (10.1038/s41586-021-03793-9).
  • Den första direkta observationen av atomrörelsen hos vattenmolekyler i flytande tillstånd som har exciterats med laserljus. Resultaten belyser det mikroskopiska ursprunget till vattens konstigheter relaterade till vibrationsrörelsens kvanteffekter. (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)