03.03.2022 - Hiroshima University

Forscher entwickeln Verfahren zur Interpretation von Röntgenemissionsspektren von flüssigem Wasser

Studie trägt zum besseren Verständnis der Struktur von Wasser bei

Wasser ist ein reichlich vorhandener und wesentlicher Stoff, der überall auf der Erde vorkommt. Doch trotz seiner Vertrautheit und einfachen Struktur weist Wasser viele ungewöhnliche physikalische Eigenschaften auf. Seit mehr als einem Jahrhundert beschäftigen sich Wissenschaftler mit der Untersuchung von Wasser und versuchen, seine Struktur besser zu verstehen. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung eines Wissenschaftlers der Universität Hiroshima hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich der Doppelpeak in den Spektren der Röntgenemissionsspektroskopie (XES) in flüssigem Wasser reproduzieren lässt.

Die von Osamu Takahashi, einem außerordentlichen Professor an der Graduate School of Advanced Science and Engineering der Universität Hiroshima, geleitete Studie, die zum besseren Verständnis der Wasserstruktur beiträgt, wird am 25. Februar in der Zeitschrift Physical Review Lettersveröffentlicht .

Im Laufe der Jahre haben einige Wissenschaftler die Struktur von flüssigem Wasser anhand eines Zweistrukturmodells untersucht, um sie besser zu verstehen. Andere Wissenschaftler haben in einer Vielzahl von Bereichen ein einheitliches, kontinuierliches Flüssigkeitsmodell verwendet. XES hat sich als nützliches Werkzeug für Forscher erwiesen, die Substanzen untersuchen, deren Eigenschaften nicht homogen sind.

Seit über einem Jahrzehnt diskutieren Wissenschaftler darüber, wie XES-Spektren von flüssigem Wasser zu interpretieren sind. Um dieses Problem zu lösen, führte das Forscherteam Molekulardynamikberechnungen durch, um die Modellstrukturen von flüssigem Wasser zu erstellen. Der nächste Schritt war die Abschätzung der XES-Spektren für flüssiges Wasser unter Verwendung erster Prinzipien quantenmechanischer Berechnungen.

Das Team war in der Lage, das doppelte 1b1-Merkmal, das in der Röntgenemissionsspektroskopie von flüssigem Wasser auftritt, theoretisch zu reproduzieren. Sie untersuchten verschiedene Effekte, wie Geometrie und Dynamik, um die Form der XES-Spektren zu bestimmen.

Mit Hilfe klassischer Molekulardynamiksimulationen konnte das Team die Struktur des Wassers in der flüssigen Phase konstruieren. Bei diesen Simulationen arbeiteten die Forscher bei verschiedenen Temperaturpunkten mit festen Bindungslängen und Winkeln der Wassermoleküle. In den von ihnen berechneten Spektren konnten die Forscher die Merkmale reproduzieren, wie z. B. die Doppelspitzen des 1b1-Zustands, die zuvor von anderen Wissenschaftlern in experimentellen XES-Spektren beobachtet worden waren.

Um die beobachteten Merkmale besser zu verstehen, klassifizierte das Forscherteam die von ihnen berechneten XES-Spektren anhand der verschiedenen Arten von Wasserstoffbrückenbindungen. Sie beobachteten das Doppelpeak-Merkmal in den XES-Spektren bei allen untersuchten Arten von Wasserstoffbrückenbindungen.

Nach der Untersuchung der Wasserstoffbindungsspektren untersuchte das Team die Auswirkungen thermisch angeregter Schwingungsmoden auf die XES-Spektren. Sie erhielten neun unabhängige Schwingungsmoden und untersuchten deren Auswirkungen auf die Spektren.

Die Forscher waren in der Lage, die XES-Spektren von flüssigem Wasser erfolgreich zu reproduzieren, indem sie die Auswirkungen der vollständigen Schwingungsmoden, der O-H-Streckung, der Biegung und der Rotationsmoden untersuchten. Sie erklärten sowohl die Temperatur- als auch die Isotopenabhängigkeit, indem sie die Wasserstoffbrückenbindungskonfiguration um das angeregte Wassermolekül und die durch die Kernlöcher induzierte Dynamik untersuchten. "Unser Verfahren ist allgemein und kann auf verschiedene Systeme angewandt werden, die mit den Phänomenen in Verbindung stehen, darunter auch flüssiges Wasser", so Takahashi.

Das Team hofft, dass ihre Forschung dazu beitragen kann, einige der langjährigen Debatten über die Interpretation der Struktur von flüssigem Wasser zu lösen. Mit Blick auf die Zukunft sehen die Forscher verschiedene mögliche Anwendungen für ihr Verfahren. "Die Entwicklung neuer Materialien wie Elektroden für Batterien, Biomaterialien wie künstliche Blutgefäße und Funktionspolymere wie Membranen für die Wasseraufbereitung könnten faszinierende Projekte sein, die mit der Struktur von flüssigem Wasser zusammenhängen", so Takahashi.

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