Annons

Bedrägligt. Trots de enkla molekylerna är vatten en av de mest komplicerade vätskorna vi känner till. Många frågor om vattnets egenskaper på molekylnivå är fortfarande obesvarade, t.ex. kemin precis vid vattenytan.

Bild: 
Torbjörn Larsson

Vattnet inpå livet

Hur molekyler beter sig i vatten är avgörande för kemin som styr liv. Ny teknik har drastiskt ökat möjligheterna att förstå vätskor på elektronnivå.

Vattenmolekylen, H2O, är livsviktig. Det är i flytande vatten som livets kemiska reaktioner sker, eftersom levande varelser till största delen består av denna vanliga vätska. Men livet är beroende av vattnets egenskaper i större utsträckning än så, vilket framgår om man ser jorden från rymden. De blå haven och polarisarna täcker tre fjärdedelar av jordens yta, den gröna växtligheten består av vattenfyllda blad och de vita molnen utgörs mestadels av små kondenserade vattendroppar. Vattens egenskaper är därför avgörande för miljön på vår blå planet.

På makroskopisk nivå har vi i dag mycket god kunskap om vatten och andra vätskor, genom teorier som klassisk flödesdynamik och termodynamik. Man kan lätt missledas att tro att vi därför har motsvarande kunskap om vatten på mikroskopisk nivå. En enskild vattenmolekyl är ju liten och okomplicerad – den består bara av två väteatomer och en syreatom. Men flytande vatten är en av de mest komplicerade och fascinerande vätskorna vi känner till i molekylär skala.

En oväntat komplicerad historia

Även om H2O-molekylen som helhet är elektriskt neutral är den ändå polär – området kring syreatomen är negativt laddat, medan väteatomerna är positivt laddade. Eftersom motsatta laddningar attraherar varandra kommer väteänden hos en molekyl att para ihop sig med syreänden hos en annan och bilda en så kallad vätebindning. Detta leder till ett komplext nätverk av vätebindningar mellan molekylerna i flytande vatten och anses vara orsaken till många av dess fascinerande egenskaper, som vätskans höga kokpunkt och dess goda förmåga att lagra värme.

En annan av vattnets mystiska egenskaper är att det är som tyngst vid 4 grader, vilket gör att sjöar och hav inte bottenfryser. Detta måste bero på hur vätebindningsmönstren förändras med temperaturen och är inte fullt klarlagt i dag. Vätebindningar mellan vattenmolekylerna bildas och bryts på en ultrasnabb tidsskala – här rör det sig om pikosekunder, det vill säga miljondelar av en miljondels sekund, vilket är oerhört utmanande att studera i experiment.

Utslagna elektroner avslöjar

Ett kraftfullt sätt att studera molekyler är att använda så kallad mjukröntgenstrålning som har mycket kortare våglängd än synligt ljus, i samma storleksordning som molekylernas längd. Framför allt är strålningen så energirik att den kan störa djupt liggande elektronnivåer i atomerna. Det gör att man kan urskilja enstaka atomer i ett material.

Det finns en rad olika sätt att använda detta ljus: man kan till exempel analysera i vilken grad som ett material absorberar strålningen eller studera de elektroner som avges från ett material när det bestrålas. De utslagna elektronerna kan avslöja mycket om molekylernas struktur – inte minst hur elektronerna är fördelade i molekylen, vilket är grunden för dess kemiska egenskaper. Att detektera elektronerna som slås ut och analysera deras energier kallas elektronspektroskopi.

Blev ånga eller is

Ett problem med mjukröntgen är dock att bestrålningen måste ske i vakuum. Av den anledningen har det under lång tid varit omöjligt att studera flytande vatten, eftersom vätskor ångar bort när trycket sänks och de elektroner som skulle kunna ge information om molekylerna i vätskan absorberas av ångan innan de kan mätas. För att förvärra situationen ytterligare fryser vätskan när trycket minskar. Detta är helt i sin ordning om man vill studera is men ställer till problem om man vill undersöka flytande vatten.

Därför framstod det länge som om elektronspektroskopi inte skulle vara möjlig att tillämpa på vatten och vattenlösningar, vilket har hämmat kunskapsutvecklingen och lämnat fundamentala frågor obesvarade. Under årtionden pågick forskning för att lösa dessa problem – särskilt här i Uppsala – men trots viktiga framsteg lyckades man inte göra flytande vatten kompatibelt med vakuum.

Men under 1990-talet fick den tyske fysikern Manfred Faubel och hans kolleger vid Max-Planck-Institutet för biofysisk kemi i Göttingen ett genombrott. De utvecklade en ny typ av instrument, vätskejeten, som är den tekniska grunden för en stor del av forskningen i vår grupp.

Idén är lika enkel som genial. Mängden ånga som avdunstar från en vätska beror av hur stor dess yta är. Om man krymper vätskeprovet som man vill studera minskas därför mängden ånga. Faubel och hans kolleger insåg att om en vätskestråle som är en hundradels millimeter i diameter skjuts med en hastighet av hundra meter per sekund in i en experimentkammare ångar den så lite att vakuum ändå kan bibehållas.

Provet håller sig färskt

I detta läge kan man bestråla vätskan med mjukröntgenljus, och de elektroner som frigörs har god chans att nå mätinstrumenten. Genom att vätskan flödar löser man även problemet med isbildning. Även om vätskan så småningom fryser är provet alltid färskt i området där man gör mätningarna.

Det var bara nyligen som röntgenstrålning kunde börja användas för att göra elektronspektroskopi på vätskor, men metoden har redan gett oss värdefull kunskap.

På sidorna här intill kan du läsa om några av de resultat som vår forskargrupp i Uppsala i samarbete med våra kolleger i Berlin har kommit fram till. Jag är övertygad att vi står inför många fler fascinerande upptäckter, vilka kommer att få konsekvenser som varken jag eller någon annan kan förutse i dag.

Du har just läst en artikel från tidskriften Forskning & Framsteg. Prenumerera här.

Kommentera:

Dela artikeln:

TIDNINGEN FÖR DIG SOM ÄR NYFIKEN PÅ ALLVAR
10 nummer 779 kr
2 nummer 99 kr
Du vet väl att du kan läsa Forskning & Framsteg i din läsplatta? Ladda ned appen från App Store eller Google Play. (Läsplatteutgåvan ingår i alla prenumerationer.)

Lägg till kommentar