Copyright-European-XFEL-Heiner-Mller-Elsner

Røntgenundersøgelser af vand lukker huller i vores forståelse

mandag 08 jun 20

Kontakt

Kristoffer Haldrup
Seniorforsker
DTU Fysik
22 98 37 20
Ved at bringe nyudviklede røntgenmetoder i spil vil forskere fra DTU lukke huller i vores viden om, hvordan vand deltager i og styrer kemiske reaktioner. Takket være 12.5 millioner kroner i støtte fra Novo Fondens nye ”NERD” program kan forskerne nu angribe denne videnskabelige udfordring i en hidtil uset grad af detalje.

Det er især i beskrivelsen af vands strukturelle rolle i kemiske reaktioner på det fundamentale, molekylære niveau, hvor viden på området mangler.

Ingen kan være i tvivl om, at vand er vigtigt. Uden vand, intet liv som vi kender det. Vand er det ”universelle opløsningsmiddel” i hvilket alle de biokemiske reaktioner, som udgør vores celler og krop, foregår. Og vand er også et fantastisk opløsningsmiddel til en lang række kemiske reaktioner.

”Vand omgiver os på alle sider og vandmolekyler er besnærende simple, det velkendte H2O med blot to brintatomer og et enkelt iltatom. Derfor er det også meget let at komme frem til den slutning, at vand er velforstået som en væske og som et opløsningsmiddel for kemiske og biokemiske reaktioner. Men realiteten er, at vi stadig står med en lang række ubesvarede spørgsmål om vands fysiske og kemiske egenskaber på molekylært niveau”, forklarer Kristoffer Haldrup, der er Seniorforsker på DTU Fysik.

Det er disse huller i vores viden omkring vand, som Seniorforsker Kristoffer Haldrup fra DTU Fysik nu vil angribe med avancerede røntgenmetoder i projektet der, over de næste 6 år, er støttet med i alt 12.5 millioner kroner fra Novo Nordisk Fondens nye ”NERD”-program.

Forskerne har længe vidst, at en af de vigtigste egenskaber ved vand er de brintbindinger, som vand-molekylerne kan danne med andre molekyler og med hinanden. Bindinger som er retningsbestemte og relativt langtrækkende, og som samtidigt er meget komplekse og mere skrøbelige end normale kemiske bindinger.

"En af de vigtigste grunde til, at vi selv i dag ved så lidt om de grundlæggende strukturer i vand er, at brintbindingerne dannes og forsvinder igen milliarder af gange i sekundet"
Kristoffer Haldrup

Bindingerne gør, at vand for nogle molekylers vedkommende pakker tæt omkring molekylet og beskytter det imod kemiske reaktioner. Men for andre molekyler, som kan være næsten ens, er effekten lige omvendt og molekylerne bliver ”vandskyende”, og de vil helst være fri for kontakt, og molekylerne bliver dermed mere tilgængelige for kemiske reaktioner. Det er imidlertid i mange tilfælde ekstremt svært at forudsige denne pakning, og hvordan pakningen ændrer sig under en kemisk reaktion.

”Der er i dag en stort hul i vores viden om, hvad der faktisk foregår på molekylært niveau under en kemisk reaktion, og sågar bare hvordan vandmolekylerne pakker med hinanden har været under intens videnskabelig diskussion i årtier” forklarer Kristoffer.

”En af de vigtigste grunde til, at vi selv i dag ved så lidt om de grundlæggende strukturer i vand er, at brintbindingerne dannes og forsvinder igen milliarder af gange i sekundet, og almindelige eksperimentelle metoder ser derfor kun et mudret gennemsnit af de molekylære detaljer”.

Den udfordring vil Kristoffer og hans kolleger møde ved at anvende avancerede røntgenmetoder ved såkaldte synkrotroner og Røntgenlasere, kilometerstore forskningsfaciliteter som Danmark bidrager til i blandt andet Hamburg og i Grenoble, Frankrig.

”Med disse faciliteter kan vi frembringe ekstremt korte og vanvittigt intense glimt af røntgenstråling. Glimt der er så korte, at den spredte røntgenstråling fra prøven indeholder et øjebliksbillede af, hvordan molekylerne sidder i forhold til hinanden i dette ekstremt korte tidsrum” fortæller Kristoffer Haldrup.

Hundredtusinder af sådanne enkelte spredningsmønstre stykker de herefter sammen til en form for ”molekylær film”, hvor de kan se detaljerne i vandmolekylernes dans omkring andre molekyler, og ved at sammenligne med avancerede computersimuleringer kan man kortlægge, hvilke kræfter der driver vandmolekylerne, og dermed hvad der bestemmer forløbet af en given kemisk reaktion.

Disse ultrahurtige, røntgen-baserede metoder er udviklet af blandt andet Kristoffer Haldrup og hans kollegaer indenfor de sidste godt ti år, og er nu så robuste, at de kan måle selv minimale ændringer i vandets strukturer omkring andre molekyler.

Projektet skal også undersøge præcis hvordan vekselvirkningen med vand ændrer en række molekylers opførsel, så de går fra at være elendige materialer til at høste solenergi til at være ganske glimrende til netop det formål. ”Med den viden vi får om vands egenskaber og den indsigt i de processer kan vi være med til at bane vejen for nye designs af blandt andet farvestofbaserede solceller” fortæller Kristoffer.

Fakta om NERD-programmet

Novo Nordisk Fonden har afsat knap 300 mio. kr. til at støtte vilde og kreative forskningsideer inden for naturvidenskab og teknisk videnskab. NERD-programmet er en del af Novo Nordisk Fondens indsats inden for naturvidenskab og teknisk videnskabelig forskning. Det overordnede mål med NERD er at støtte original grundforskning inden for naturvidenskab og teknisk videnskab, herunder – men ikke begrænset til – fysik, kemi, matematik og datalogi.

Læs mere om NERD-programmet på novonordiskfonden.dk

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.