Forskare i USA har hittat bevis för att ytan av flytande vatten, även vid rumstemperatur, har en struktur som ser mer och mer ut som is när man närmar sig gränsytan mellan vatten och luft. Phillip Geissler och Nathan Odendahl vid University of California, Berkeley, gjort datorsimuleringar av det ojämna gränssnittet mellan luft och vatten och identifierade ordnade motiv, som de hävdar delar betydande likheter med is.
Från atmosfären till mänskliga lungor, många av de viktigaste processerna på planeten sker vid ytan av en vattendroppe, vilket ger denna forskning potentiella implikationer inom fysik, kemi och biologi.
"De saker som vi har arbetat så många decennier för att förstå om vatten i dess bulkmiljö blir bara fel vid gränssnitten", säger Geissler, som använde simuleringar för att studera vatten på en molekylär nivå som inte är tillgänglig i experiment. Spektroskopiska mätningar av luft-vatten-gränsytan har gett överraskande resultat, vilket tyder på ordnad vätebindning vid ytan. Geissler och Odendahl var nyfikna på tidigare simuleringar, som föreslog is som referenspunkt för gränsytans vattenstruktur, men de trodde inte att dessa resultat var avgörande. Som ett resultat utarbetade de ett sätt att söka efter dessa mönster i större detalj.
Söker efter struktur i oordning
Flytande vatten är oordnat, så forskarna visste att strukturerna de letade efter skulle vara svåra att hitta, sträcka sig över endast ett fåtal molekyler och begravda under buller. De hade idén att tidigare forskare saknade detaljer eftersom de hade behandlat gränssnittet som ett platt plan, när det faktiskt är mjukt och ojämnt. Arbetet med gränssnitt mellan luft och vatten var pionjärer för över 10 år sedan och avslöjade lager parallella med ytan, men Geissler och Odendahl var de första som använde detta för att leta efter en koppling till is.
Geissler sa att han blev förvånad när Odendahl visade honom de första resultaten som överlagrade is och vatten-luft-gränssnitt. De hävdar att, med den extra detaljen i det momentana gränssnittet, kan skikten vid vattenytan delas upp i underskikt (se ovanstående figur). Parallella underskikt är ett kännetecken för isens basala yta, och de presenterar vad duon är övertygad om är en slående likhet mellan dessa skikt i gränsytan mellan is och vatten-luft.
Genom att använda dessa underskikt som referenspunkt jämförde Geissler och Odendahl orienteringen av molekylerna, med vetskapen om att detta är väldefinierat för tetraedriska vattenmolekyler i is. När forskarna kartlade den gynnade riktningen för syre-vätebindningarna nära vattenytan, observerade de ordning, vilket de återigen hävdade, verkar motsvara ett ansikte av is. Dessa mönster håller över ett fåtal molekylära diametrar, vilket är större än de transienta tetraedriska strukturerna som förväntas i bulkvatten.
Bruten symmetri tvingar vatten att organisera sig
Odendahl argumenterade för sina slutsatser och sa: "Att ha det flexibla gränssnittet gav oss verkligen självförtroendet att säga att det inte bara är ett par slumpmätningar. Om du tittar på densiteten, om du tittar på orienteringen, om du tittar på flera lager, precis allt vi tittade på, så verkade det finnas en matchning.”
Vatten visar sig vara elektriskt dött vid gränssnitt
Att tolka forskning om vätskors statistiska mekanik är dock alltid kontroversiellt. Den fortsatta debatten om gränssnittet vatten-luft kommer att komma till den grundläggande frågan om hur is definieras, och om en struktur som sträcker sig över endast ett fåtal molekyler kan sägas ha kristallliknande egenskaper. När vi reflekterade över deras resultat sa Geissler "Vi har nu denna strukturella referenspunkt för att tänka på dessa strukturella motiv, och jag tror att det i slutändan kommer att visa sig vara ett mycket användbart konceptuellt verktyg."
Forskningen beskrivs i Journal of American Chemical Society.
