Om vattnets struktur och hur fiskar ”andas”

Lars G.M. Pettersson, professor i teoretisk kemisk fysik på Fysikum tilldelas Advanced Grant från ERC för projektet “Gases in Water”. Det finns nu allt starkare bevis för att det existerar två former av flytande vatten: en vätska med hög densitet (HDL) och en med låg densitet (LDL). Forskarna kommer att utveckla en förbättrad teoretisk beskrivning av hur vattenmolekyler interagerar genom datorsimuleringar av vätskorna.

Professor Lars GM Pettersson, Fysikum, Stockholms universitet

‒ Vatten är en märklig vätska. Det finns nu allt starkare bevis för att det existerar två former av flytande vatten: en vätska med hög densitet (HDL) och en med låg densitet (LDL). Vid vanliga temperaturer kan molekylerna inte bestämma sig så det blir lokala fluktuationer mellan de två. Det ger upphov till vattnets märkliga egenskaper, som att tätheten är störst vid 4C så sjöar inte bottenfryser. Strukturen på HDL och LDL vill vi undersöka både med simuleringar och experimentellt med gasen argon i vatten. Vi ska också undersöka konsekvenser av de två vätskorna då vi simulerar hur syretransporten sker i vattnet.

Från eget kemilaboratorium i hemmet till forskning i USA

Under uppväxten hade Lars ett eget kemilaboratorium hemma tills något exploderade. Han fortsatte sina experiment på gymnasiet och läste därefter matematik och fysik på Stockholms universitet där han sedan doktorerade i teoretisk fysik. För att försörja sig under studierna arbetade han som brevbärare och lärarvikarie.
Han avslutade doktorandstudierna då han fick två erbjudanden om postdoktortjänster på NASA och IBM. Han accepterade båda och under 1984 delade han sin tid mellan de två organisationerna.

‒ Det är så givande att få arbeta med det man brinner för. Forskningen pågick alla veckans dagar i San José i södra delen av Silicon Valley i Kalifornien. Fördelen med att befinna sig just där var forskningsmiljön och närheten till stränderna. På helgerna kunde vi njuta av sol, hav och värme efter att datorerna laddats med beräkningar och sedan analysera resultaten på kvällen.

Kvantmekaniska beräkningar på IBM och NASA

På IBM forskade Lars inom ytfysik med kvantmekaniska beräkningar och simuleringar. Året därpå forskade han enbart för NASA där han fortsatte arbeta med kvantmekaniska beräkningar, grundforskning och metodutveckling. Centret hade flera stora superdatorer som egentligen var avsedda att utveckla nya flygplan, men som också kunde användas för tunga kvantmekaniska beräkningar.

‒ Vi har nu flera stora projekt inom modellering, kvantkemiska beräkningar och elektrokemi. I ett projekt utvecklar vi katalysatorer för att generera vätgas från glycerol som är en biprodukt från framställning av biobränslen. Vilket blir mycket mer ekonomiskt jämfört med att sönderdela vatten. Förutom att generera vätgas kan man samtidigt förädla glycerol till mer värdefulla kemikalier som används i produkter som "brun utan sol".

Hur lockar fiskar över syret till sina gälar?

Tillbaka till vatten. En hypotes är att LDL formen är mer öppen och att syremolekyler föredrar att lösa sig där och stabiliserar den. Då uppstår frågan hur fiskar lockar över syret till sina gälar – de måste ju erbjuda ett bättre alternativ. Elektronmikroskopbilder av gälars och lungors kontakt med vatten visar en spännande struktur som kan innebära att evolutionen hittat ett sätt att påverka kontakten med vattnet som förbättrar syreöverföringen. Genom en kombination av röntgenspektroskopi, modellering och kvantmekaniska beräkningar kommer den kontakten att undersökas.

‒ Projektet är utmanande där vi ska undersöka effekter, t ex av spinkopplingen mellan protonerna i vattenmolekylerna, som inte tagits med i någon av de många avancerade beskrivningarna av hur vattenmolekylerna interagerar. Målet är en beskrivning av vatten som kan användas för att äntligen förstå hur interaktionerna får molekylerna att organisera sig och därefter undersöka vilka konsekvenser det får, t ex för liv i hav och sjö.

Vattnets två beståndsdelar
Bilden visar vattnets två beståndsdelar och finns i ansökan B2 till ERC.

Mer information

Stockholms universitet beviljas fyra ERC Advanced Grants
Två olika former av vatten
Diffusive dynamics during the high-to-low density transition in amorphous ice