Zaskakujący porządek na powierzchni malutkich kropelek wody

Nanoskopowe i mikroskopowe kropelki wody w hydrofobowych (odpychających wodę) środowiskach otaczają nas. Biologiczne procesy są uzależnione od interakcji kropel wody z innymi powierzchniami, a 60% ciała człowieka składa się właśnie z wody. Finansowany ze środków UE projekt WII (Water, Ions, Interfaces) rzuca nieco światła na kwantowe efekty w wodzie oraz szereg granic faz, z którymi reagują krople wody.

Intencją partnerów projektu WII było poszerzenie istniejącej wiedzy o tym, jak strukturalne, dynamiczne i biologiczne właściwości wody wspomagają funkcjonowanie systemów żywych, a także zapewnienie impulsu do dalszych innowacji technologicznych wykorzystujących zdolności natury. W artykule opublikowanym niedawno w czasopiśmie Nature Communications opisują swoje odkrycie, a mianowicie, że molekuły na powierzchni kropel wody okazują się znacznie bardziej zorganizowane niż dotychczas przypuszczano.

Woda sceną dramatów molekularnych

Opisane badania miały na celu głębsze poznanie właściwości i zachowań kropel wody, kiedy otoczone są substancjami hydrofobowymi, jak np. olej, ponieważ ma to znaczenie dla funkcjonowania systemu wodnego jako całości. Wiedza o kroplach wody jest zwykle efektem wnioskowania na podstawie danych uzyskanych z badań nad makroskopowymi granicami faz między powietrzem a wodą lub roztworami wodnymi solwatowanych hydrofobów. Jak zauważają autorzy, metodologia jest nieprecyzyjna ze względu na różnice w rozmiarach, składzie chemicznym i zależności do temperatury w porównaniu do środowisk, w których występują maleńkie krople, zwykle o średnicy jednej tysięcznej grubości włosa.

Naukowcy z projektu WII opracowali nową metodę badania powierzchni tych miniaturowych kropelek. Jak informuje prof. Sylvie Roke, koordynatorka projektu WII: „W metodzie tej zachodzą na siebie ultrakrótkie impulsy laserowe w mieszance kropelek wody w płynnym oleju oraz wykrywane są fotony rozpraszane tylko z granicy faz”. Dalej wyjaśnia: „Fotony te mają częstotliwość łączną fotonów przychodzących, więc są innego koloru. Dzięki temu nowo wytworzonemu kolorowi możemy określić strukturę granicy faz”.

Naukowcy stwierdzili, że powierzchnia kropelek wody jest znacznie bardziej uporządkowana niż normalna powierzchnia wody i jest porównywalna do powierzchni lodu, z molekułami o bardzo silnych wiązaniach wodoru oraz stabilną tetraedryczną (piramidową) konfiguracją otaczającą każdą molekułę. Niespodziewanie ten sam układ pojawia się na powierzchni kropelek nawet w temperaturze pokojowej, czyli o 50°C wyższej niż ta, w jakiej można by się spodziewać tego zjawiska.

Wiadomo już, że wiązana wodorem sieć 3D wody, jako że jest kooperatywna, także przegrupowuje się co kilka femtosekund (jedna kwadrylionowa sekundy), a jej właściwości określają interakcje na poziomie kwantowym. Jednym z kluczowym wkładów projektu WII było położenie nacisku na poziom kwantowy/skalę femtosekundową i przechodzenie do makroskopowego poziomu/skali czasowej. Odkrycia te mogą pomóc w wyjaśnieniu różnych procesów atmosferycznych, biologicznych i geologicznych.

Więcej informacji:
strona projektu w serwisie CORDIS