'Quantum Water' upptäckt i kolnanorör

Många astrobiologer tror att vatten är en nyckelingrediens för livet. Och inte bara för att livet på jorden inte kan klara sig utan det.

Vatten har en konstig uppsättning egenskaper som andra kemikalier helt enkelt inte delar. Ett känt exempel är att vatten expanderar när det fryser, vilket säkerställer att isen flyter snarare än sjunker. Det är viktigt för om det inte gjorde det, skulle sjöar och hav frysa från botten och uppåt, vilket gör det svårt för komplext liv att överleva och utvecklas.

Dessa och andra egenskaper är resultatet av vattenmolekylers förmåga att bilda vätebindningar med varandra och detta ger dessa molekyler några mycket speciella egenskaper.

Idag presenterade George Reiter vid University of Houston och några kompisar bevis på att vatten är främmare än någon trodde. Faktum är att de går så långt som att säga att när det begränsas på nanometerskalan, formas det till en helt ny typ av kvantvatten.

Bakgrunden till detta är att elektronerna i donator- och acceptormolekyler i vätebindningar är omöjliga att särskilja, vilket innebär att de kan resa från en molekyl till en annan. När molekylerna är instängda på något sätt kan de spridas en bit, till exempel i ett fast ämne.

Men vattenmolekyler kan också begränsas på andra sätt. Och när det händer blir den elektroniska strukturen av flytande vatten ett uppkopplat nätverk.

Det väcker en viktig fråga: hur skiljer sig beteendet hos molekyler i detta elektroniska nätverk från beteendet hos molekyler i bulkvatten som interagerar på ett vanligt sätt?

Reiter och co säger att de har mätt egenskaperna hos instängda i det lilla utrymmet inuti kolnanorör vid rumstemperatur och hittat några viktiga skillnader. De har gjort detta genom att fylla nanorör med vatten och bombardera dem med en intensiv stråle av neutroner vid Rutherford Appleton Lab i Storbritannien. Hur neutronerna sprids avslöjar rörelsemängden hos protonerna inuti nanorören.

Det visar sig att protonerna i detta nanobegränsade vatten vid rumstemperatur beter sig på ett helt annat sätt än i bulkvatten. Protoner är kända för att vara känsliga för de elektroniska fälten runt dem. Så när dessa fält bildas till ovanliga elektroniska nätverk är det ingen överraskning att protonerna beter sig annorlunda.

Avvikelserna för protonernas rörelsemängdsfördelning från den för bulkvatten är så stora att vi tror att det nanokonfifinerade vattnet korrekt kan beskrivas som att det är i ett kvalitativt annorlunda kvantgrundtillstånd från det för bulkvatten, säger de.

De antyder till och med att det kan finnas någon form av kvantkoherens som sprider sig genom det elektroniska nätverket. Om så är fallet borde det vara möjligt att mäta hur detta löser samman i framtida experiment.

Det är en stor sak. Reiter och co valde kolnanorör eftersom de är en analog till de förhållanden som vatten möter när det passerar genom levande system, till exempel genom jonkanaler i cellmembran. Biologer har länge vetat att flödet genom dessa kanaler är storleksordningar större än vad konventionell vätskedynamik förutspår. Kanske är detta nya tillstånd av kvantvatten anledningen till detta.

Reiter och co säger också att detta kvantvatten bara kan existera när det är omgivet av neutrala molekyler som kolet i nanorör och inte i närvaro av många allmänt studerade material, som protonbytesmembran som Nafion. Den är gjord av molekyler som leder protoner på ett helt annat sätt och på så sätt förhindrar bildandet av kvantvatten.

Innebörden är naturligtvis att protonbytesmembranen som används i allt från kemisk produktion till bränsleceller kan förbättras dramatiskt genom att använda ett neutralt kolbaserat material.

Faktum är att detta fenomen kan vara en avgörande faktor i själva livets mekanism. Spännande grejer!

Ref: arxiv.org/abs/1101.4994 : Bevis för ett nytt kvanttillstånd av nanokonfifinerat vatten

Dölj