Forskere i USA har funnet bevis på at overflaten av flytende vann, selv ved romtemperatur, har en struktur som ser mer og mer ut som is når vann-luft-grensesnittet nærmer seg. Phillip Geissler og Nathan Odendahl ved University of California, Berkeley, utført datasimuleringer av det ujevne grensesnittet mellom luft og vann og identifiserte ordnede motiver, som de hevder deler betydelige fellestrekk med is.
Fra atmosfæren til menneskelige lunger skjer mange av de viktigste prosessene på planeten på overflaten av en vanndråpe, noe som gir denne forskningen potensielle implikasjoner på tvers av fysikk, kjemi og biologi.
"De tingene som vi har jobbet så mange tiår for å forstå om vann i bulkmiljøet blir bare feil ved grensesnitt," sa Geissler, som brukte simuleringer for å studere vann på et molekylært nivå som ikke er tilgjengelig i eksperimenter. Spektroskopiske målinger av luft-vann-grensesnittet har gitt overraskende resultater, noe som tyder på ordnet hydrogenbinding ved overflaten. Geissler og Odendahl var nysgjerrige på tidligere simuleringer, som antydet is som referansepunkt for grensesnittvannets struktur, men de trodde ikke disse resultatene var avgjørende. Som et resultat utviklet de en måte å søke etter disse mønstrene i større detalj.
Søker etter struktur i uorden
Flytende vann er uordnet, så forskerne visste at strukturene de lette etter ville være vanskelige å finne, som strekker seg over bare noen få molekyler og begravd under støy. De hadde ideen om at tidligere forskere manglet detaljer fordi de hadde behandlet grensesnittet som et flatt plan, når det faktisk er mykt og humpete. Arbeid med mykt luft-vann-grensesnitt ble banebrytende for over 10 år siden og avslørte lag parallelt med overflaten, men Geissler og Odendahl var de første som brukte dette til å se etter en kobling med is.
Geissler sa at han ble overrasket da Odendahl viste ham de første resultatene som overlagde is- og vann-luft-grensesnittene. De hevder at, med den ekstra detaljen i det øyeblikkelige grensesnittet, kan lagene ved vannoverflaten deles i underlag (se figuren ovenfor). Parallelle underlag er et trekk ved den basale overflaten av is, og de presenterer det duoen er overbevist om er en slående likhet mellom disse lagene i is- og vann-luft-grensesnittene.
Ved å bruke disse underlagene som referansepunkt sammenlignet Geissler og Odendahl orienteringene til molekylene, vel vitende om at dette er godt definert for tetraedriske vannmolekyler i is. Da forskerne kartla den foretrukne retningen til oksygen-hydrogenbindingene nær vannoverflaten, observerte de orden, som de igjen hevdet, ser ut til å tilsvare et isflate. Disse mønstrene holder over noen få molekylære diametre, som er større enn de forbigående tetraedriske strukturene som forventes i bulkvann.
Ødelagt symmetri tvinger vann til å organisere seg
Odendahl argumenterte for konklusjonene sine og sa: «Å ha det fleksible grensesnittet ga oss virkelig tillit til å si at det ikke bare er et par tilfeldigheter. Hvis du ser på tettheten, hvis du ser på orienteringen, hvis du ser på de mange lagene, bare alt vi så på, så det ut til å være samsvar.»
Vann viser seg å være elektrisk dødt ved grensesnitt
Å tolke forskning på den statistiske mekanikken til væsker er imidlertid alltid omstridt. Den fortsatte debatten om grensesnittet vann-luft vil komme ned til det grunnleggende spørsmålet om hvordan is defineres, og om en struktur som strekker seg over bare noen få molekyler kan sies å ha krystalllignende egenskaper. Etter å ha reflektert over resultatene deres sa Geissler "Vi har nå dette strukturelle referansepunktet for å tenke på disse strukturelle motivene, og jeg tror at det til slutt vil vise seg å være et veldig nyttig konseptuelt verktøy."
Forskningen er beskrevet i Journal of the American Chemical Society.
