Ny metod för att se vattnets inre mikroskopiska struktur

Vatten är nödvändigt för all kemi och allt liv, men att förstå hur det interagerar med joner lösta i vattnet – såsom natrium och magnesium – har länge varit en stor vetenskaplig utmaning. Nu har ett internationellt forskarteam under ledning av Uppsala universitet utvecklat en banbrytande röntgenteknik som direkt kan undersöka den elektroniska strukturen hos solvatiseringsskalet, det första lagret av vattenmolekyler som omger en jon i lösning.

I studien, som publicerats i Nature Communications, rapporteras den första observationen av en process som kallas intermolekylärt radiativt sönderfall (IRD) i vätskor. I detta fenomen, joniseras en jon löst i vatten av röntgenstrålning, och en elektron från en närliggande vattenmolekyl överförs till jonen för att fylla det hål som skapats, sen observeras den frigjorda energin som avges i form av en röntgenfoton. Denna utsända foton bär ett tydligt avtryck av jonens omedelbara omgivning, vilket i praktiken gör det möjligt för forskarna att undersöka solvatiseringsskalet ”inifrån”.

– Solvatiseringsskalet avgör hur joner beter sig i vatten och påverkar allt från biologiska funktioner till korrosion och batterikemi. Vår upptäckt visar att röntgenstrålning nu kan användas för att direkt studera den elektroniska strukturen i detta kritiska gränsområde, säger huvudförfattaren Johan Söderström, universitetslektor vid Institutionen för fysik och astronomi.

Med hjälp av synkrotronstrålning vid MAX IV-laboratoriet i Lund undersökte teamet vattenlösningar med natrium- och magnesiumjoner. Genom att analysera de utsända röntgenfotonerna identifierade de distinkta spektrala signaturer som kom från närliggande vattenmolekyler – ett tydligt bevis på den nyupptäckta IRD-processen.

Teoretisk modellering bekräftade ytterligare att IRD uppstår från en subtil så kallad orbitalhybridisering mellan jonen och omgivande vattenmolekyler. Anmärkningsvärt är att processen endast är känslig för det första solvatiseringsskalet, vilket gör IRD till en unik selektiv prob för lokala kemiska miljöer i vätskor.

– Detta är den strålningsmässiga motsvarigheten till det välkända intermolekylära coulombiska sönderfallet. Men till skillnad från elektronbaserade metoder avger IRD röntgenstrålning som kan tränga ut från djupet av vätskan, vilket gör det möjligt för oss att utforska lösningens bulkegenskaper, förklarar seniorförfattaren Olle Björneholm, professor vid Institutionen för fysik och astronomi.

Utöver natrium och magnesium har forskarna också visat att IRD kan observeras i andra system, inklusive övergångsmetalljoner och anjoner, vilket tyder på att fenomenet är allmänt – och potentiellt transformativt för studiet av vatten- och biologisk kemi.

Denna upptäckt banar väg för element- och platsspecifika studier av solvatiseringsstruktur, kemiska bindningar och ultrasnabb dynamik i vätskor med hjälp av avancerade synkrotron- och frielektronlaserkällor.