Physiker haben erstmals eine Quanteneigenschaft beobachtet, die Wasser fremd macht

Es gibt einen Sturm in deiner Teetasse von Geschmäckern, die wir kaum verstehen. Die Wassermoleküle drehen sich wie verrückt, greifen nacheinander, klammern sich aneinander und lassen auf einzigartige Weise los, die einem einfachen Studium trotzen.

Während Physiker das Phänomen der Wasserstoffverbindung spielt eine Schlüsselrolle in den vielen seltsamen und wunderbaren Konfigurationen des Wassers, einige Details zur genauen Funktionsweise sind eher vage geblieben.

Ein internationales Forscherteam hat einen neuen Ansatz gewählt, um die Positionen von Partikeln, aus denen flüssiges Wasser besteht, abzubilden und ihre Unschärfe mit Femtosekunde Präzision, um zu zeigen, wie Wasserstoff und Sauerstoff in Wassermolekülen kollidieren.

Ihre Ergebnisse helfen uns vielleicht nicht dabei, eine bessere Tasse Tee zuzubereiten, aber sie tragen wesentlich dazu bei, die Quantenmodellierung von Wasserstoffbrückenbindungen zu konkretisieren und möglicherweise Theorien darüber zu verbessern, warum Wasser – so lebenswichtig für das Leben, wie wir es kennen – so faszinierende Eigenschaften hat .

„Es hat wirklich ein ganz neues Fenster geöffnet, um Wasser zu studieren“, genannt Xijie Wang, Physiker am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums.

„Jetzt, da wir endlich sehen können, wie sich die Wasserstoffbrücken verschieben, möchten wir diese Bewegungen zu einem größeren Bild in Beziehung setzen, das Aufschluss darüber geben könnte, wie Wasser zur Entstehung und zum Überleben des Lebens auf der Erde geführt hat und die Entwicklung erneuerbarer Energiemethoden beeinflussen könnte . „

Isoliert, ist ein einzelnes Wassermolekül ein Dreikampf um die Bewachung der Elektronen zwischen zwei Wasserstoffatomen und einem einzigen Sauerstoffatom.

Mit viel mehr Protonen als sein kleines Akolythenpaar bekommt Sauerstoff ein wenig mehr von der elektronischen Liebe des Moleküls. Dadurch bleibt jedem Wasserstoff etwas mehr Zeit ohne Elektronen als üblich. Die winzigen Atome sind nicht gerade positiv geladen, aber das Ergebnis ist ein V-förmiges Molekül mit einer sanften Neigung von subtil positiven Spitzen und einem leicht negativen Kern.

Werfen Sie eine Reihe dieser Moleküle mit genügend Energie weg, und die kleinen Ladungsänderungen organisieren sich entsprechend, wobei sich die gleichen Ladungen trennen und verschiedene Ladungen zusammenkommen.

Während all dies einfach genug klingen mag, ist der Motor hinter diesem Prozess alles andere als einfach. Elektronen bewegen sich unter dem Einfluss verschiedener Quantengesetze, das heißt, je genauer wir hinschauen, desto unsicherer sind wir über bestimmte Eigenschaften.

Zuvor hatten sich Physiker auf ultraschnelle Spektroskopie verlassen, um zu verstehen, wie sich Elektronen durch das chaotische Wassergemenge bewegen, Lichtphotonen einfangen und ihre Signaturen analysieren, um die Positionen der Elektronen zu kartieren.

Leider bleibt dabei ein entscheidender Teil der Landschaft aus – die Atome selbst. Weit davon entfernt, passive Zuschauer zu sein, biegen und schwanken sie auch in Bezug auf die Quantenkräfte, die sich um sie herum bewegen.

„Die geringe Masse von Wasserstoffatomen betont ihr Quantenwellenverhalten“, genannt SLAC-Physikerin Kelly Gaffney.

Um die Anordnungen des Atoms besser zu verstehen, verwendete das Team ein Instrument namens Megaelectronvolt Ultrafast Electron Diffraction Instrument, oder MeV-UED. Dieses Gerät des National Accelerator Laboratory des SLAC überflutet Wasser mit Elektronen, die wichtige Informationen über die Anordnung der Atome enthalten, wenn sie von Molekülen abprallen.

(Greg Stewart / Nationales SLAC-Beschleunigerlabor)

Oben: Animation zeigt, wie ein Wassermolekül reagiert, nachdem es von Laserlicht getroffen wurde. Wenn das angeregte Wassermolekül zu vibrieren beginnt, ziehen seine Wasserstoffatome (weiß) die Sauerstoffatome (rot) mit benachbarten Wassermolekülen zusammen, bevor sie sie wegstoßen und den Raum zwischen den Molekülen erweitern.

Mit genügend Schnappschüssen war es möglich, ein hochauflösendes Bild des Bebens von Wasserstoff zu erstellen, wenn sich Moleküle um sie biegen und biegen, und zeigen, wie sie Sauerstoff von benachbarten Molekülen zu sich zurückziehen, bevor sie sie heftig zurückdrängen.

„Diese Studie ist die erste, die direkt zeigt, dass die Reaktion des Wasserstoffbrückennetzwerks auf einen Energieimpuls entscheidend von der quantenmechanischen Natur der räumlichen Anordnung der Wasserstoffatome abhängt, die seit langem für die einzigartigen Eigenschaften von . verantwortlich ist Wasser und sein Netzwerk von Wasserstoffbrücken“, genannt Gaffney.

Nun, da sich das Werkzeug im Prinzip bewährt hat, können Forscher damit den turbulenten Walzer von Wassermolekülen bei steigendem Druck und sinkender Temperatur studieren und beobachten, wie er auf organische gelöste Stoffe reagiert, die Wasser, Leben erzeugen oder unter exotischen Bedingungen erstaunliche neue Phasen bilden.

Noch nie war ein Sturm so anmutig.

Diese Studie wurde veröffentlicht in Natur.