Forskere i USA har fundet beviser for, at overfladen af flydende vand, selv ved stuetemperatur, har en struktur, der ligner mere og mere is, når vand-luft-grænsefladen nærmes. Phillip Geissler og Nathan Odendahl fra University of California, Berkeley, udført computersimuleringer af den ujævne grænseflade mellem luft og vand og identificerede ordnede motiver, som de hævder deler betydelige fællestræk med is.
Fra atmosfæren til menneskelige lunger sker mange af de vigtigste processer på planeten ved overfladen af en vanddråbe, hvilket giver denne forskning potentielle implikationer på tværs af fysik, kemi og biologi.
"De ting, som vi har arbejdet så mange årtier for at forstå om vand i dets bulk-miljø, bliver bare forkerte ved grænseflader," sagde Geissler, der brugte simuleringer til at studere vand på et molekylært niveau, der ikke er tilgængeligt i eksperimenter. Spektroskopiske målinger af luft-vand-grænsefladen har produceret overraskende resultater, hvilket tyder på ordnet hydrogenbinding ved overfladen. Geissler og Odendahl var nysgerrige efter tidligere simuleringer, som foreslog is som referencepunkt for grænsefladevandets struktur, men de mente ikke, at disse resultater var afgørende. Som et resultat udtænkte de en måde at søge efter disse mønstre mere detaljeret på.
Søger efter struktur i uorden
Flydende vand er uordnet, så forskerne vidste, at de strukturer, de ledte efter, ville være svære at finde, idet de kun strækker sig over nogle få molekyler og begravet under støj. De havde den idé, at tidligere forskere manglede detaljer, fordi de havde behandlet grænsefladen som et fladt plan, når det faktisk er blødt og ujævnt. Arbejdet med bløde luft-vand-grænseflader blev pioneret for over 10 år siden og afslørede lag parallelt med overfladen, men Geissler og Odendahl var de første til at bruge dette til at lede efter en forbindelse med is.
Geissler sagde, at han var overrasket, da Odendahl viste ham de første resultater, der overlejrede is og vand-luft-grænseflader. De hævder, at med den ekstra detalje af den øjeblikkelige grænseflade, kan lagene ved vandoverfladen opdeles i underlag (se ovenstående figur). Parallelle underlag er et kendetegn ved isens basale overflade, og de præsenterer, hvad duoen er overbevist om, er en slående lighed mellem disse lag i is- og vand-luft-grænsefladen.
Ved at bruge disse underlag som referencepunkt sammenlignede Geissler og Odendahl molekylernes orienteringer, velvidende at dette er veldefineret for tetraedriske vandmolekyler i is. Da forskerne kortlagde den foretrukne retning af ilt-brint-bindingerne nær vandoverfladen, observerede de orden, som de igen hævdede, synes at svare til en overflade af is. Disse mønstre holder over nogle få molekylære diametre, som er større end de forbigående tetraedriske strukturer, der forventes i bulkvand.
Brudt symmetri tvinger vandet til at organisere sig
Odendahl argumenterede for deres konklusioner: "At have den fleksible grænseflade gav os virkelig tillid til at sige, at det ikke kun er et par tilfældige målinger. Hvis du ser på tætheden, hvis du ser på orienteringen, hvis du ser på de mange lag, bare alt det, vi så på, så der ud til at være et match."
Vand viser sig at være elektrisk dødt ved grænseflader
Men at fortolke forskning i væskers statistiske mekanik er altid omstridt. Den fortsatte debat om grænsefladen mellem vand og luft vil komme ned på det grundlæggende spørgsmål om, hvordan is defineres, og om en struktur, der kun strækker sig over nogle få molekyler, kan siges at have krystallignende egenskaber. Efter at have reflekteret over deres resultater sagde Geissler: "Vi har nu dette strukturelle referencepunkt for at tænke på disse strukturelle motiver, og jeg tror, at det i sidste ende vil vise sig at være et meget nyttigt konceptuelt værktøj."
Forskningen er beskrevet i Journal of the American Chemical Society.
