Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat löytäneet todisteita siitä, että nestemäisen veden pinnalla, jopa huoneenlämpötilassa, on rakenne, joka näyttää yhä enemmän jäältä, kun vesi-ilma-rajapinta lähestyy. Phillip Geissler ja Nathan Odendahl Kalifornian yliopistosta Berkeleystä, tehty tietokonesimulaatioita ilman ja veden välisestä epätasaisesta rajapinnasta ja tunnistetuista järjestetyistä motiiveista, joilla heidän mukaansa on merkittäviä yhteisiä piirteitä jään kanssa.
Ilmakehästä ihmisen keuhkoihin monet planeetan tärkeimmistä prosesseista tapahtuvat vesipisaran pinnalla, mikä antaa tälle tutkimukselle potentiaalisia vaikutuksia fysiikkaan, kemiaan ja biologiaan.
"Asiat, joita olemme työskennelleet vuosikymmeniä ymmärtääksemme vedestä sen bulkkiympäristössä, vain muuttuvat väärin rajapinnoissa", sanoi Geissler, joka tutki simulaatioita veden molekyylitasolla, johon ei päästä kokeissa. Ilma-vesi-rajapinnan spektroskooppiset mittaukset ovat tuottaneet yllättäviä tuloksia, jotka viittaavat järjestäytyneeseen vetysidokseen pinnalla. Geissler ja Odendahl olivat uteliaita aiemmista simulaatioista, jotka ehdottivat jäätä rajapinnan veden rakenteen vertailupisteeksi, mutta he eivät uskoneet näiden tulosten olevan ratkaisevia. Tämän seurauksena he keksivät tavan etsiä näitä malleja tarkemmin.
Haetaan rakennetta häiriöstä
Nestemäinen vesi on epäjärjestynyttä, joten tutkijat tiesivät, että heidän etsimiään rakenteita olisi vaikea löytää, sillä ne ulottuisivat vain muutaman molekyylin yli ja hautautuisivat melun alle. Heillä oli ajatus, että aikaisemmista tutkijoista puuttui yksityiskohtia, koska he olivat käsitelleet käyttöliittymää litteänä tasona, vaikka se on itse asiassa pehmeä ja kuoppainen. Pehmeän ilman ja veden välisiä rajapintoja koskeva työ aloitettiin yli 10 vuotta sitten, ja se paljasti pinnan suuntaisia kerroksia, mutta Geissler ja Odendahl olivat ensimmäiset, jotka käyttivät tätä etsiessään yhteyttä jään kanssa.
Geissler sanoi olevansa yllättynyt, kun Odendahl näytti hänelle ensimmäiset tulokset jään ja veden ja ilman välisen rajapinnan päällekkäisyydestä. He väittävät, että hetkellisen rajapinnan lisäyksityiskohtien ansiosta veden pinnalla olevat kerrokset voidaan jakaa alikerroksiksi (katso yllä oleva kuva). Rinnakkaiset alikerrokset ovat jään peruspinnan ominaisuus, ja ne esittävät sen, minkä kaksikko on vakuuttunut, että näiden kerrosten välillä on hämmästyttävä samankaltaisuus jään ja veden ja ilman välisissä rajapinnoissa.
Käyttäen näitä alikerroksia vertailukohtana Geissler ja Odendahl vertasivat molekyylien suuntauksia tietäen, että tämä on hyvin määritelty jään tetraedrisille vesimolekyyleille. Kun tutkijat kartoittivat happi-vetysidosten suositellun suunnan lähellä veden pintaa, he havaitsivat järjestyksen, jonka he taas väittivät vastaavan jään pintaa. Nämä kuviot pitävät sisällään muutaman molekyylihalkaisijan, mikä on suurempi kuin tilapäiset tetraedrirakenteet, joita odotetaan vedessä.
Rikkoutunut symmetria pakottaa veden järjestäytymään
Odendahl puolusti johtopäätöksiään ja sanoi, että "joustava käyttöliittymä todella antoi meille varmuutta sanoa, että kyse ei ole vain parista sattuman mittarista. Jos katsot tiheyttä, jos katsot suuntausta, jos katsot useita kerroksia vain kaikkea, mitä katsoimme, näytti siltä, että se täsmää."
Vesi osoittautuu sähköisesti kuolleeksi rajapinnoissa
Nesteiden tilastollista mekaniikkaa koskevan tutkimuksen tulkitseminen on kuitenkin aina kiistanalaista. Jatkuva keskustelu veden ja ilman välisestä rajapinnasta tulee alas peruskysymykseen siitä, kuinka jää määritellään, ja voidaanko vain muutaman molekyylin yli ulottuvalla rakenteella sanoa olevan kidemäisiä ominaisuuksia. Geissler pohtii heidän tuloksiaan, ja sanoi: "Meillä on nyt tämä rakenteellinen vertailukohta näiden rakenteellisten motiivien ajattelemiseen, ja uskon, että se osoittautuu lopulta erittäin hyödylliseksi käsitteelliseksi työkaluksi."
Tutkimus on kuvattu Journal of American Chemical Society.
