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.

Annons

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.

Livets minsta pusselbitar under luppen

De kemiska egenskaperna hos aminosyror kan mätas direkt i vattenlösningar.

Allt liv vi känner till byggs upp av proteiner. De är stora molekyler som sätts samman av enkla så kallade aminosyror i en lång kedja och sedan viker sig i vatten för att få sin fulla biologiska funktion. Biologerna har i dag kraftfulla verktyg för att studera proteinernas struktur, vilket är avgörande bland annat för att kunna utveckla många mediciner. Dessa metoder är dock inte känsliga för den elektroniska strukturen i enskilda delar av proteinet som kan spela stor roll för hur detta fungerar i vattenlösning.

Nyligen har vi gjort de första mätningarna med elektronspektroskopi av den enklaste aminosyran, glycin, i vattenlösning. Fysikerna har studerat denna fascinerande molekyl som gas i många år, där den exi­sterar bara i en form. Löst i vatten kan den dock anta tre olika former, beroende på hur sur eller basisk lösningen är.

De olika varianterna bestämmer de kemiska egenskaperna på olika platser i molekylen. Våra mätningar har visat att elektronspektroskopi kan ge exakt information om hur aminosyrornas elektroniska struktur förändrar sig i lösning jämfört med i gasfas. Genom att jämföra mätresultaten med beräkningar har vi även lyckats dra slutsatser om hur vattenmolekylerna samspelar med glycin. Förhoppningen är att på sikt bättre kunna förstå de specifika fenomen i vatten som gör biologiskt liv möjligt, ända ner på elektronnivå.

Kemin vid vattenytan

Med varierat röntgenljus går det att studera ytkemin molekyllager för molekyllager.

Forskningen har i dag en ofullständig bild av hur vätskeytor är sammansatta och hur de beter sig. Det gäller såväl havsytan som ytan på vattendroppar i moln. Man skulle kunna tro att ytan inte spelar så stor roll, eftersom den utgör så liten del av vätskan. Men den spelar all roll i världen, för även om andelen molekyler och joner som befinner sig i de yttersta ytlagren av havsvattnet är försvinnande liten, så är det bara dessa som har direktkontakt med luft.

På senare år har atmosfärs­kemister kartlagt ett antal oväntade reaktioner som sker vid vattenytor och som kan vara av stor vikt för atmosfärens kemiska sammansättning. Till exempel bildas det klorgas, Cl2, vid havsytan när solen skiner. Detta måste innebära att klorsalter i havsytan reagerar med gasmolekyler i luften under inverkan av ljus. Men det borde inte vara möjligt enligt klassiska teorier, som säger att saltjoner är bortstötta från de yttersta molekyllagren i vattenlösningar. Alltså verkar teorin inte stämma med vad man har observerat i verkligheten.

Under de senaste åren har ett antal mer sofistikerade beräkningar gjorts som visar att vissa salter faktiskt kan ta sig ut till vätskeytan. Det som avgör om detta är möjligt är deras laddning, storlek och hur bra deras yttersta elektroner är på att omfördela sig runt jonen. Stora och negativt laddade saltjoner med flexibla elektroner bedöms ha bäst chans att ta sig ut till vätskeytan.

Ser djupare med ökad energi

Det har varit svårt att bekräfta beräkningarna med praktiska experiment, eftersom man bara vill undersöka de allra yttersta molekyllagren i en vätska. Men med våra metoder går det att mäta just detta, eftersom elektroner inte kan färdas långt i vätskan – de elektroner som vi detekterar kommer endast från ytlag­ren. En annan fördel med denna teknik är att vi kan ändra ytkänsligheten genom att variera energin på röntgenljuset.

Vi har nyligen gjort mätningar på två av de salter som finns i atmosfäriska vattendroppar – natriumklorid (NaCl) och natriumperklorat (NaClO4) lösta tillsammans i vatten. Mycket riktigt visar experimentet en starkare signal från den större och mer flexibla natriumperkloratjonen. Genom att ändra energin hos röntgenljuset kan vi titta djupare in i vätskan, varefter skillnaden mellan de två signalerna blir mindre. På så vis kan vi kartlägga hur jonerna ligger i ytan på vätskan, molekyllager för molekyllager.

Hur vatten samverkar med sina joner

Oväntad egenskap hos hydroxidjoner förklarar dynamik i vatten. Mjukröntgen bekräftade beräkning.

En egenskap hos vatten som länge har fascinerat forskarna är den höga rörligheten hos vattenmolekylens negativt laddade hydroxidjon, OH–. Jonernas rörlighet gör det möjligt att reaktioner på en plats påverkar kemin i den omgivande vätskan nästan ögonblickligen.

Tidigare har forskarna trott att vattnets positiva och negativa joner (H3O+ och OH–) beter sig som var­and­ras spegelbilder när det gäller vätebindningar som styr deras rörlighet. Men detta har inte stämt med mätningar av jonernas faktiska rörlighet.

För en tid sedan presenterades avancerade beräkningar som pekar på en möjlig förklaring: trots sin negativa laddning skulle hydroxidjonerna kunna attrahera den negativa syreänden hos närbelägna vattenmolekyler, vilket skulle kunna förklara deras oväntade snabbhet och avvikande beteende jämfört med H3O+.

För att undersöka detta har vi gjort experiment med mjukröntgen på en basisk vattenlösning, som innehåller extra många hydroxidjoner. Om röntgenljuset har exakt rätt energi när det träffar en hydroxidjon kan en av jonens djupt liggande elektroner knuffas upp i ett högre energitillstånd. Det intressanta är att vi kort därefter kan se en elektron som kommer från en närliggande vattenmolekyl. Det innebär att energin överförts till denna – och det kan bara ske så effektivt om hydroxidjonerna binder med sin väteände. Vi har alltså funnit direkt experimentellt stöd för att de svaga och kortlivade bindningarna faktiskt finns, vilket vi beskriver i en artikel i tidskriften Nature.

Att endast ett sådant här avancerat experiment kan avslöja hur vatten samverkar med sina egna joner visar hur svårt det är att få information om de flyktiga vätebindningarna i västkan.

Forskning & Framsteg berättar om fackgranskade forskningsresultat och om pågående forskning. Våra texter ska vara balanserade och trovärdiga, och sätta forskningsresultaten i sitt sammanhang för att göra dem begripliga. Forskning & Framsteg har rapporterat om vetenskap sedan 1966.