Vad röntgenstrålning kan lära oss om vattenmolekylen

Forskare från Fysikum har i ett internationellt forskningssamarbete kartlagt energilandskapet för vattenmolekylen. Studien är en kombination av röntgenspridningsexperiment och datorsimuleringar och har resulterat i ny kunskap om molekylens rörelse, som kan användas för att förstå vad som driver kemiska reaktioner i denna livsviktiga molekyl. Studien har publicerats in tidskriften Nature Communications den 20 januari 2017.

Mikroskopiska objekt som molekyler kan endast beskrivas korrekt med hjälp av kvantmekanik. I den kvantmekaniska beskrivningen är energin hos molekylens elektroner kvantiserad, dvs endast vissa energinivåer är tillgängliga. Även energin för atomkärnornas rörelse, molekylvibrationer, är kvantiserad. Dessa energinivåer kan undersökas med ljus. Den lägsta energinivån kallas det elektroniska grundtillståndet, och dess potentialyta beskriver hur energin varierar med atomernas lägen.

Röntgenljus inducerar övergångar till högre liggande elektrontillstånd och vibrationstillstånd och kan ge förändringar av kärnavstånden i molekylen, vilket sker på en tidsskala av ett fåtal femtosekunder, dvs 10-15 s. Röntgenspektroskopi är ett bra verktyg för att ge en detaljerad bild av molekyler på atomnivå eftersom förändringar som resultat av röntgenbestrålning kan studeras lokalt runt enskilda atomkärnor.

Reaktionskoordinaten längs dissociationen av en OH-bindning i en vattenmolekyl.
Reaktionskoordinaten längs dissociationen av en OH-bindning i vattenmolekylen.

– ”Med detta verktyg kan vi utforska potentialytan för molekylens elektroniska grundtillstånd längs vissa bestämda riktningar” säger Emelie Ertan, forskarstuderande vid Fysikum, och tillägger att vi därmed sammantaget kan få information om hela potentialytan.

Potentialytorna för grundtillståndet och ett elektroniskt exciterat tillstånd i vattenmolekylen längs en 2D reaktionskoordinat, dvs dissociation längs båda OH-bindningarna.
Potentialytorna (i de 2 dimensionerna för de två O-H avstånden i vattenmolekylen)  för grundtillståndet och ett visst elektroniskt exciterat tillstånd. I grundtillståndet har vattenmolekylen  små vibrationer i O-H avstånden (begränsad till den blå regionen i den nedre potentialen). Röntgenexcitation till detta högt liggande elektrontillstånd inducerar dissociation av endera O-H bindning (längs de blå dalarna i den övre kurvan).

– ”Förhoppningen är att vi ska kunna använda erfarenheterna från studien av vattenmolekylen för att undersöka enskilda molekylära vibrationer även i mer komplicerade system, så som vätskor och biomolekyler.” säger Michael Odelius och avslutar med att vi då skulle lära oss mer om de vibrationella kopplingar som är avgörande för att förstå kemiska växelverkningar och kemiska reaktioner.

– Emelie Ertan (emelie.ertan@fysik.su.se), Michael Odelius (odelius@fysik.su.se)

Länk till artikeln i Nature: Selective gating to vibrational modes through resonant X-ray scattering  R. C. Couto, V. V. Cruz, E. Ertan, S. Eckert, M. Fondell, M. Dantz, B. Kennedy, T. Schmitt, A. Pietzsch, F. F. Guimarães, H. Ågren, F. Gel’mukhanov, M. Odelius, V. Kimberg, A. Föhlisch, Nature Communcations, 2017.

Länk till forskargruppens hemsida

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *