Superficies de energía potencial del agua mapeadas

El agua es sin duda el líquido más conocido del mundo. El agua juega un papel crucial en todos los procesos biológicos y muchos químicos. Las moléculas de agua en sí apenas guardan secretos. En la escuela ya aprendemos que el agua se compone de un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Incluso conocemos el típico ángulo obtuso que forman los dos catetos OH entre sí. Además, sabemos cuándo el agua hierve o se congela y cómo se relacionan estas transiciones de fase con la presión. Pero entre los datos sobre las moléculas individuales y una comprensión más profunda de los fenómenos macroscópicos existe una amplia zona de incertidumbre: sólo se conoce información estadística sobre el comportamiento de las moléculas individuales en agua líquida normal: las moléculas de agua en la fase líquida forman una masa fluctuante. red de enlaces de hidrógeno, desordenada y densa, y sus interacciones no se comprenden tan bien como en el estado gaseoso.

Agua líquida pura examinada

Ahora, un equipo dirigido por la física del HZB, la Dra. Annette Pietzsch, ha observado más de cerca el agua líquida pura a temperatura ambiente y presión normal. Mediante análisis de rayos X en la fuente de luz suiza del Instituto Paul Scherrer y modelos estadísticos, los científicos lograron mapear las llamadas superficies de energía potencial de las moléculas de agua individuales en el estado fundamental, que se presentan en una gran variedad de formas. dependiendo de su entorno.

Oscilaciones y vibraciones medidas.

'Lo especial aquí es el método: estudiamos las moléculas de agua en la línea de luz ADRESS utilizando dispersión de rayos X inelástica y resonante. En pocas palabras, empujamos las moléculas individuales con mucho cuidado y luego medimos cómo volvían a caer al estado fundamental,' dice Pietzsch. Las excitaciones de baja energía provocaron oscilaciones de estiramiento y otras vibraciones que, combinadas con los cálculos del modelo, produjeron una imagen detallada de las superficies potenciales.

'Esto nos proporciona un método para determinar experimentalmente la energía de una molécula en función de su estructura', explica Pietzsch. 'Los resultados ayudan a esclarecer la química del agua, por ejemplo, a comprender mejor cómo se comporta el agua como disolvente'.

Perspectivas: METRIXS en BESSY II

Los próximos experimentos ya están planeados en la fuente de rayos X BESSY II en HZB. Allí Annette Pietzsch y su equipo instalaron la estación de medición METRIXS, que está diseñada precisamente para investigar muestras líquidas con experimentos RIXS. 'Después del cierre de verano debido a trabajos de mantenimiento en BESSY II, comenzaremos con las primeras pruebas de nuestros instrumentos. Y luego podremos seguir adelante.'