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X射线表明水的行为类似于液晶

斯德哥尔摩大学的科学家发现,当用激光照射时,水可以表现出与液晶相似的行为。这种作用是由于水分子的排列而产生的,它们表现出低密度和高密度域的混合物,这些域或多或少倾向于排列。结果发表在《物理评论快报》上,是基于使用X射线激光进行的实验研究和分子模拟相结合的结果。

液晶在1888年首次被发现时,只是一种科学的好奇心。一百多年后,它们是在手表,电视和计算机屏幕的数字显示器(LCD)中使用最广泛的技术之一。液晶通过施加电场来工作,电场使液体的相邻分子以类似于晶体的方式排列。当用激光照射时,水也会朝液晶变形。众所周知,激光的电场可使水分子排列不到十亿分之一秒。这个发现可以在未来的技术中应用吗?

斯德哥尔摩大学物理系的一个国际研究人员小组在日本的X射线自由电子激光SACLA上进行了实验,并首次使用X射线脉冲探测了瞬态取向分子的动力学。该技术依赖于将分子与激光脉冲(波长λ= 800 nm)对齐,并通过X射线脉冲探测对齐,从而可以实时查看分子水平上结构的变化。通过改变激光和X射线脉冲之间的时间,研究人员能够分辨对准状态,该状态仅存在160 fs。

斯德哥尔摩大学前研究员,韩国POSTECH大学现任助理教授Kyung Hwan Kim解释说:“众所周知,由于激光脉冲的极化,水分子是对齐的。这是一种独特的能力,使用X射线激光器实时查看分子排列。”

“ X射线非常适合探测分子,因为它们的波长与分子的长度尺度相匹配”,斯德哥尔摩大学前物理学博士生,现任斯坦福大学的博士后亚历山大·斯帕赫博士说。“我真的很高兴有机会使用最先进的X射线设备来调查可能在未来的技术应用中遇到的基本问题。”

分子模拟很好地再现了实验,从而深入了解了潜在的比对机理。通过假设水的行为类似于由高密度和低密度液体(HDL和LDL)域组成的两种状态的液体,研究人员发现每个域的排列趋势不同。

斯德哥尔摩大学化学物理教授安德斯·尼尔森(Anders Nilsson)解释说:“低密度脂蛋白区域中的水分子具有更强的氢键网络,这使分子更容易响应强激光场。”“在过冷状态下测量分子比对的寿命将很有趣,因为在这种情况下,一切都会急剧下降。”

斯德哥尔摩大学物理学助理教授Fivos Perakis说:“通过观察氢键网络的变化,能够在分子水平上理解水,可以在生物活性中发挥重要作用。”“我很好奇,观察到的对准是否会在将来例如在水清洗和脱盐方面带来技术应用”。

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