genialt: Richard Saykally

Donning hans vanliga arbetskläder-jeans och en Hawaiian skjorta-Richard Saykally berättar i fyra ord svaret på en fråga som jag ofta hade funderat i duschen: Varför är vatten våt?

”stark tetrahedral vätebindning”, sa han. Svaret gav inte omedelbar belysning jag hoppades på, men då är vatten inte enkelt., Saykally forskargrupp vid University of California, Berkeley (där han är professor i kemi) studier vatten med ett exotiskt klingande listan över apparater, inklusive hålrum ringdown spectroscopes, terahertz lasrar, och supersonic balkar.

hans mål är att utveckla ett ”universal water force field”, en datormodell av vatten som kan förutsäga beteendet hos vatten under alla omständigheter, ner till atomskala. Jag blev ordentligt imponerad av denna ambition, men inte särskilt skrämd: Saykally såg till det genom att erbjuda mig mer än en gång att spela en ditty på hans munspel.,

videon spelas upp högst upp på skärmen.

visa Video

Intervjuavskrift

Varför är vattnet vått?

När mina döttrar var väldigt små hade vi en intressant uppenbarelse om det ämnet. Jag badade båda mina döttrar när de var väldigt unga och min yngsta dotter sa: ”Pappa? Varför är vatten vått?”Och det rätta svaret är: stark tetrahedral vätebindning, som de sedan relaterade till sina lärare i flera år efteråt när ämnet vatten kom, skulle de säga” stark tetrahedral vätebindning!”Men det är det rätta svaret., Det är det som gör vattnet blött.

hur ser ett vattenkluster ut?

ett vattenkluster är ett arrangemang av två eller flera vattenmolekyler. Så de antar olika strukturer. Två vattenmolekyler har egentligen inte mycket av en form; tre vattenmolekyler gör en treledad ring; fyra gör en squarish-looking ring; fem gör en pentagon; och när du kommer till sex vattenmolekyler förändras morfologin från att vara cyklisk plan till att vara en tredimensionell bur; och därefter sju, åtta, nio och så vidare ser ut som tredimensionella burar., Vattnet åtta-det åttafaldiga klustret-ser ut som en förvrängd kub, och sedan bygger alla större kluster på den kubiska formen. Dessa är de mest stabila former som du sedan skulle hitta vid mycket nära den absoluta noll av temperaturen.

är en annan form av flytande vatten möjligt?

detta är för närvarande det mest hett debatterade ämnet om vatten. Det har varit postulerat under ganska lång tid att i den djupt supercool regionen av vatten-det vill säga när vatten kyls under dess fryspunkt – att det kan finnas två olika typer av vätska., Vanligt flytande vatten vi skulle kalla lågdensitetsformen och det föreslås att det finns en högdensitetsform av vatten och att det finns en fasövergång mellan dessa två typer i superkylområdet. Och den här debatten har kommit upp ett antal gånger, men just nu debatteras den våldsamt. Egentligen är en av mina kollegor i denna avdelning—en mycket känd teoretisk kemist—och hans tidigare student i spetsen för detta, och det har inte lösts än.

Varför förlorar vatten densitet när det blir till is?,

När vatten fryser till vanlig is, vilket är den typ som gör isbitar som flyter i våra highballs, händer detta på vad vi skulle kalla noll grader Celsius, vid atmosfärstryck. När vatten fryser till is skapar det en mycket öppen struktur. Den formen av is består av arrays av sex ledade ringar som staplas ovanpå varandra för att göra kanaler och det mesta av den isen är faktiskt tomt utrymme., När du smälter isen för att göra flytande vatten bryter du cirka 10 procent av vätebindningarna i isen och det blir mycket mer oordnat och kompakt, så vätskan som är mer oordnad är tätare än isen. När isen fryser, gör det detta mycket öppna nätverk och densiteten sjunker med en ordning på 10 procent. Men det är bara sant för den välbekanta formen av IS som vi kallar ice 1h, för sexkantiga. Det finns faktiskt 16 kristallina former av is. Alla andra former är faktiskt tätare än flytande vatten. Endast en av de 16 formerna är faktiskt mindre än.,

Varför finns det 17 olika typer av is?

endast den välbekanta formen av IS som vi kallar is är mindre tät än vätskan. Alla andra former är tätare än vätskan och de bildas vid höga tryck. När du klämmer på is 1H, tvingar du det till mer kompakta arrangemang. Som jag sa, kristallstrukturen av ice 1h har mycket tomt utrymme i det, så när du klämmer på det genom att applicera höga tryck, tvingar du det till mer kompakta strukturer; väl fyller du i det tomma utrymmet mer., Och ju hårdare du klämmer, du bildar mer och mer kompakta och täta strukturer tills du når vad vi kallar en tätt packad gräns, som egentligen inte har nåtts ännu. Så som tekniken utvecklas för att tillämpa högre och högre tryck, kan du kollapsa is till tätare och tätare former. Så jag tror inte att vi är klara än. Det finns 16 kristallina former och som tekniken utvecklas, kommer vi förmodligen att kunna generera ytterligare sex eller åtta. Förutom de 16 kristallina formerna av IS finns det också amorfa eller glasartade former av IS som per definition är oordnade, och det finns en hel familj av dem., Det brukade tros att det fanns två typer av amorf is, men nu inser vi att det finns faktiskt många, av varierande densitet.

hur skiljer sig vattenytan från bulkvatten?

vid vattenytan finns ett annat vätebindningsarrangemang. I bulkvattnet gör varje vattenmolekyl ungefär fyra vätebindningar med andra vattenmolekyler vid tetraedriska vinklar; inte perfekt, som i fallet med ice 1h. så det är ett oordnat tetrahedralt nätverk. Men på ytan när vattenmolekyler avslutar massan finns det nödvändigtvis färre vätebindningar., Så det genomsnittliga antalet vätebindningar för vattenmolekyler på ytan är kanske två och en halv eller något sådant. Så det finns dinglande o-H (syre-väte) bindningar vid ytan av vatten och detta gör ytskiktet beter sig annorlunda än bulk. Så du har det yttersta skiktet av flytande densitet, som vi skulle kalla det, definierar ytan och sedan blir du mer beställd när du flyttar från det yttersta skiktet av flytande densitet till den sanna massan. Så ytskiktet har färre vätebindningar; det är mer mobilt och har olika bindningsegenskaper.,

Varför är det intensiv debatt om vilka joner som gör på vattenytan?

det har varit ett av de mest kontroversiella ämnena som involverar vatten i årtionden eftersom beteendet hos joner vid vattenytan har djupa konsekvenser i biologi och andra vetenskapsområden.så det är ett viktigt ämne i praktisk mening. Beteendet hos joner i vatten har klassiskt beskrivits genom vad vi skulle kalla dielektrisk kontinuum teori och detta är i de flesta läroböcker på vatten tills nyligen och detta säger att det inte bör finnas några joner på ytan av vatten., Men vi måste vara lite mer specifika; låt oss kalla det Luft-vatten-gränssnittet eller gränssnittet för vatten med hydrofoba domäner av proteiner. I dessa fall bör det inte finnas några joner alls vid dessa gränssnitt på grund av ett fenomen som kallas bildladdning repulsion som framträder i denna dielektriska kontinuumteori.

men den teorin är föråldrad och genom åren har experiment ackumulerats som tydligt visade att vissa joner föredrar att vara på ytan snarare än i bulk. Min grupp har fastställt ett antal olika joner som fall där detta följs., Dessa joner föredrar ytan och vi har numeriskt verifierat energierna och krafterna med vilka de dras till ytan. Så detta är i strid med läroboken beskrivning av joner på ytan av vatten.

Varför är vattenavdunstningen så svår att mäta?

det har varit mycket svårt att mäta genom åren eftersom det är ett ytfenomen, mycket utsatt för föroreningsproblem.och kanske viktigast är avdunstning av vatten en mycket sällsynt händelse., Om du är en vattenmolekyl i ett glas vatten, eller till och med vid ytan av vatten i ett glas vatten, är sannolikheten för att du avdunstar mycket låg. Det är en mycket sällsynt händelse när en vattenmolekyl lämnar ytan och därför är det extremt svårt att modellera det fenomenet genom datorsimuleringar. Och experimenten är mycket problematiska eftersom förorening av ytan är ett mycket stort problem.,

och det andra problemet är att de flesta av de experiment som har åtgärdat att observera samtidig avdunstning och kondens eftersom det i dessa experiment finns ett lager av vattenånga och kontakt med det flytande vattnet, och så får du kondensation av ångan till vätskan samtidigt som du har vätskan avdunsta i gasfasen och det är mycket svårt att skilja dessa två processer., Så vad min grupp gjorde, för att försöka separera dessa processer, är att använda flytande mikrojet-teknik där vi skulle göra en mikrojet vatten, det var kanske 10 mikron i diameter, i ett vakuumsystem och då kunde vi ordna villkoren för att titta på avdunstning utan att ha någon kondensation dölja våra resultat.,

så det här är våra senaste experiment och våra resultat är ganska bra överens med teoretiska beräkningar som har gjorts av David Chandlers grupp, där de kunde överskrida denna begränsning för att kunna simulera mycket sällsynta händelser på grund av denna vackra sällsynta händelsemetodik som Chandler-gruppen har utvecklat kallas övergångsvägsprovtagning., I den metoden kan de direkt observera detaljerna om hur en vattenmolekyl avdunstar trots att det är en mycket sällsynt händelse och de visar i sitt senaste papper att en vattenmolekyl avdunstar från ytan när den kolliderar med en annan flytande molekyl på ett sådant sätt att ge den tillräckligt med kinetisk energi för att undkomma ytspänningen, låt oss kalla det, av ytan, och det gör det där ytan har en kapillärvåg, som vi kallar det. Det kommer att finnas en anomalt stor fluktuation i yttopologin., Så det är som en våg bryter sig bort från vätskan och när den vågen bryter bort, stammar den vätebindningarna i ytvattenmolekylen och försvagar den tillräckligt för att molekylen kan fly.

vad tycker du om Kaliforniens nuvarande torka?

Tja, jag tror att detta måste tas väldigt seriöst. Jag har faktiskt spenderat en hel del tid under den senaste månaden att tänka på detta och utbilda mig själv på torkan situationen och hur en del av den teknik som föreslås för att mildra det kan genomföras. Så först och främst finns det mycket felaktig information som flyter runt., Vi hör att detta är den värsta torkan i Kaliforniens historia. Det måste vi kvalificera oss för. I den skriftliga historien sedan Kaliforniens regering har bildats är detta förmodligen sant. Men i Kaliforniens naturhistoria vet vi att det har varit långt, långt värsta torka. Låt oss se, det var hur många år sedan … århundraden sedan, det finns bevis från trädringar som nyligen har studerats av fossila experter som visar att det faktiskt har varit 150-åriga torka inte så långt tillbaka i Kaliforniens naturhistoria—låt oss säga 500 år eller något liknande sedan., Jag glömde de exakta datumen. Men det har funnits mycket värre torka än vad vi upplever nu. Det är fullt möjligt att detta kan bli en 50-årig torka eller 100-årig torka, vilket skulle vara förödande, om vi inte har tillförlitliga vattenkällor som inte är beroende av nederbörd.

så avsaltning verkar vara det klokaste tillvägagångssättet för kustområden som Kalifornien, där vi har ett hav mycket nära., Om vi kan räkna ut hur man billigt avsaltar havsvatten och gör det på ett sätt som inte lägger till mycket koldioxid i vår atmosfär, skulle detta vara ett mycket stort steg framåt för Kaliforniens långsiktiga välbefinnande. Och jag kom faktiskt bara från att spendera 10 dagar i San Diego där det största avsaltningsprojektet på västra halvklotet närmar sig slutförandet på Carlsbad, norr om San Diego. Det finns en avsaltningsanläggning för 1 miljard dollar som ska tas i drift om ett par månader och jag har blivit mycket intresserad av fysik och kemi av dessa avsaltningsanläggningar., Och just nu är avsaltningen väldigt dyr och mycket energikrävande och det kommer egentligen inte att vara ett miljömässigt acceptabelt sätt att producera färskt vatten om vi inte kan göra det mycket, mycket effektivare och mindre förorenande.

några kollegor till mig och jag satte ihop ett kort förslag under min tid i San Diego med titeln ” mot grön, effektiv avsaltning.”Tekniken som människor tänker på just nu använder vad vi kallar kolnanotuber som ett sätt att filtrera saltet ur havsvatten., Det är möjligt att det kan göras med mycket mindre energiförbrukning eftersom motståndet mot att trycka vatten genom dessa rör kan vara mycket lägre än med nuvarande teknik, men detta måste etableras genom grundläggande laboratorievetenskap som jag föreslår att göra och andra människor föreslår att göra., Vi måste studera beteendet hos joner vid gränssnittet för vatten, vårt tidigare ämne, med dessa kolmembran, och det är möjligt att karaktären av det gränssnittet är sådan att med rätt geometri kan vatten strömma genom rör av rent kol med mycket låg resistans så att du kan använda mycket lägre tryck för att tvinga havsvatten genom de avsaltande membranen. Det är en mycket spännande utsikter. Och då skulle kraftigt minska energiförbrukningen.,

och sedan finns det sätt att tänka på hur man sekvenserar koldioxiden som produceras av, låt oss säga, förbränna naturgas som ett sätt att producera el, för att sekvensera koldioxiden som produceras i förbränningen i djupa akviferer av mycket saltvatten som är produkten av avsaltning. Du får mycket koncentrerade saltborrar som orsakar problem vid bortskaffande. Så om man faktiskt kunde använda dessa brines för att lagra koldioxid som skulle vara ett stort framsteg också. Människor tänker på alla dessa riktningar; och samtidigt hoppas Kalifornien inte inleder 100-årig torka!,

vad är en vattendimer och varför är det viktigt att förstå vår atmosfär?

en vattendimer är ett kluster av två vattenmolekyler där en vattenmolekyl donerar en vätebindning till den andra. Det är mycket viktigt i teoretisk mening eftersom det är prototypen av en vätebindning. I praktisk mening har det varit mycket diskussion om den potentiella rollen för denna vattendimer i atmosfären., Det finns några viktiga reaktioner i atmosfären—till exempel bildandet av surt regn—som skulle gå mycket snabbare om det verkligen fanns vattendämpare närvarande i atmosfären. Till exempel skulle reaktionen av svaveltrioxid SO3 med en vattenmolekyl för att göra svavelsyra och därefter surt regn kräva kollision av tre gasformiga molekyler. Men om istället en SO3-molekyl kunde kollidera med en vattendimer, skulle det kraftigt påskynda reaktionerna och den efterföljande bildningen av surt regn.,

och även, när det gäller absorption av solljus, absorberar vattendimeren i en annan del av det elektromagnetiska spektrumet än bara en vattenmonomer, en enda vattenmolekyl, och kan potentiellt spela en viktig roll i den globala uppvärmningen. Så det har varit mycket intresse av att fastställa: finns det märkbara koncentrationer av vattendämpare i atmosfären, och om så är fallet var skulle de troligen vara belägna? Svaret verkar vara att vattendämpare kan bildas effektivt om den relativa luftfuktigheten är hög och det händer i ekvatorn regioner., Så det verkar som om den våta luften från troperna runt ekvatorn stiger, vattendämpare kan bildas i atmosfären ganska effektivt och om de då kan transporteras till andra delar av atmosfären är en aktuell fråga.

är det bara en slump att vatten är viktigt för livet på jorden?

Nej, det är något inneboende om vatten genom att det starka tetraedriska vätebindningsnätet som vatten gör är en mycket flexibel miljö för kemiska processer att hända., Det har rätt egenskaper för att lösa upp många joner; det har rätt egenskaper för att orsaka vad vi kallar hydrofoba material att vika upp på speciella sätt; och det skulle vara svårt att utforma en vätska som är den mångsidiga som kan anta så många olika konfigurationer i vätskan och så vidare. Det är verkligen ganska speciellt.

vad har vatten lärt oss om vätebindningen?

själva vätebindningens karaktär har debatterats kraftigt i årtionden., Det var ursprungligen tänkt att vätebindningen var en manifestation av vad vi kallar dipolmomentet av vattenmolekyler-att det finns ett positivt slut och ett negativt slut på varje vattenmolekyl och vätebindningen uppstår när de två dipolerna interagerar på ett attraktivt sätt. Men som sofistikering av både experiment och teori utvecklades ledde det till en mer komplex beskrivning baserad på kvantteori där vi nu vet att den stora källan till attraktionen mellan två vattenmolekyler som innefattar dess vätebindning är denna dipol-dipolinteraktion som den kallas, men det finns andra., Det finns också något som kallas induktion där denna dipol av en vattenmolekyl snedvrider elektronmolnet av den andra och som lägger till lite attraktion för den. Det finns också något som kallas dispersion, vilket är en strikt kvantmekanisk effekt där elektronmolnen hos de två molekylerna interagerar på ett attraktivt sätt. Och då är den fjärde komponenten repulsion – att när du tar med två föremål, två molekyler eller atomer, tillräckligt nära varandra, börjar deras elektronmoln överlappa varandra och det blir mycket repulsivt, och det begränsar hur nära du kan ta med två vattenmolekyler tillsammans., Så nu förstår vi att vätebindningen verkligen är en summa av de fyra olika interaktionerna som vi kallar elektrostatika, induktion, dispersion och repulsion.

varför uppfann du en ny laser för att studera vatten?

två vattenmolekyler vibrerar i förhållande till varandra genom sträckningsrörelsen eller böjningsrörelsen för den vätebindningen och dessa frekvenser uppträder i spektrumets avlägsna infraröda område—eller i terahertz-regionen, som det kallas. Det är samma område i spektrumet., Så den mest direkta sonden av en vätebindning är att faktiskt titta på sträckningen och böjningsvibrationerna hos den vätebindningen själv och det händer i spektrumets avlägsna infraröda eller terahertz-region. Så vi utvecklade teknik baserad på långt infraröda lasrar för att kunna titta på, för att kunna mäta dessa rörelser i vattenmolekyler och det är det som ledde till våra många studier av vattenkluster.

vad är ” universal water force field?,”

detta är vad jag berättade för dig är det ultimata syftet med vår forskning i att studera vattenkluster, både teoretiskt från våra experiment och med kvantkemi; att producera den perfekta modellen för vatten. Vi vill kombinera all tillgänglig information från studier av vattenkluster med vår terahertz laserspektroskopi, från kvantkemiska beräkningar, och från kondenserade fasmätningar – vi vill sätta all den informationen tillsammans och göra en datormodell av vatten som kommer att svara på alla frågor du frågar., Varje fråga som i princip är ansvarig kan sedan besvaras av en dator beräkning om du hade den perfekta vattenmodellen. Och den perfekta vattenmodellen är vad vi har kallat den universella första principmodellen för vatten.

vilka förutsägelser kan du göra med den universella vattenmodellen?

om vi hade den perfekta vattenmodellen och vi hade en hel del datortid, kunde vi göra simuleringar som skulle testa denna idé om, ” finns det två typer av flytande vatten ansluten med en första ordningens fas övergång.”Sånt kan göras., Vi kan göra datorberäkningar av vattenytan och exakt bestämma hur ytan ser ut och hur den ytan förändras när vi till exempel tar vattenytan i kontakt med den hydrofoba domänen hos ett protein. Varje fråga alls som du skulle ha om vatten, som i princip är ansvarig, kan behandlas med en datorberäkning med den perfekta vattenmodellen.

anledningen till att vi inte kan göra det nu är att, som jag sa, det finns 100 eller flera modeller—datormodeller för vatten—och de gör alla några saker bra., Ingen av dem gör allt bra och i synnerhet dessa modeller har utvecklats för rumstemperaturvatten eller i ett smalt temperaturområde, så när du tar dessa datormodeller för vatten som utvecklats vid rumstemperatur och du tillämpar dem i supercool-regionen till studien av ”finns det två typer av vätskor i supercool-regionen”, det första som kommer att tänka på är att denna vattenmodell inte kan ge tillförlitliga resultat i det mycket låga temperaturområdet. Det producerades inte med det i åtanke., Så om vi hade en universell första principmodell skulle det fungera vid alla temperaturer, alla tryck, etc.

vad handlar det om vatten som gör det moget för pseudovetenskaplig spekulation?

Tja, eftersom vi lever på en vattenplanet och vatten är väldigt mycket en del av varje människas dagliga liv, har det erkänts från tidigt att vatten är viktigt och det har dessa ovanliga egenskaper. Så om du går tillbaka till grekerna var den grekiska formuleringen av kemi att det fanns fyra element: jord, luft, eld och vatten, eller hur? Och i själva verket fanns det flera konkurrerande filosofier., Det är först nyligen i vetenskapen där vi faktiskt gör noggranna mätningar av saker som vi hävdar vara korrekta. Modern vetenskap fungerar på grundval av, du gör en förutsägelse från din teori eller dina lagar Kemi och fysik och du testar det mot experiment. Det var inte fallet och så har alla dessa pseudovetenskap utvecklats baserat på denna tidiga idé om att vatten är så viktigt ett element. Så homeopati utvecklades ur den typen av tänkande.

även i det moderna sammanhanget är en av de intressanta debatterna, finns det något unikt med så kallat strukturerat vatten?, Det finns företag som säljer buteljerat, strukturerat vatten och de hävdar att det strukturerade vattnet på något sätt tränger in i dina cellväggar mer effektivt och har alla typer av hälsofördelar och allt detta. Det finns ingen vetenskaplig grund för det alls. Du kan inte göra strukturerat vatten. Det är ingen mening eftersom vätebindningen i vatten lever i några pikosekunder-10-12 sekunder-och dessa vätebindningsstrukturer av vatten omarrangeras mycket snabbt så att du inte har vattenkluster som existerar som isolerade enheter i vatten trots många av dessa påståenden., Men ändå kan du gå till affären och hitta flaskvatten som ska ha dessa magiska strukturella egenskaper och så vidare.

vem inspirerar dig?

Tja, min egen personliga hjälte i vetenskapen har varit Charles Townes. Charles Townes avled nyligen och var en mycket berömd fysiker här på U. C. Berkeley. Charles Townes var en med uppfinnare av lasern som fick Nobelpriset 1950 … jag glömde datumen men han fick Nobelpriset för att uppfinna lasern., Han upptäckte de första molekylerna i rymden och senast, i samarbete med sin post-doc Reinhard Genzel etablerade den första karakteriseringen av ett svart hål—en detaljerad karakterisering av det svarta hålet som finns i mitten av vår galax—han är bara en fantastisk forskare. Och en av de mest spännande sakerna för mig att komma till Berkeley, som jag gjorde 1979, var att kunna interagera med Charles Townes, som hade varit en hjälte till mig sedan jag gick på grundskolan., En av de första saker som hände mig när jag gick med i forskargruppen (Robert) Claude Woods vid University of Wisconsin i forskarskolan är att han gav mig boken från Charles Townes kallas, mikrovågsugn spektroskopi, och han säger, ”Läs detta, Detta är Bibeln.”Och så Charles Townes har alltid varit en stor hjälte för mig och jag tror att jag har stort val i hjältar.

vad skulle du vara om du inte var en vetenskapsman?

Om jag inte var vetenskapsman?, Tja, historien är, jag växte upp i norr om Wisconsin i en stad med som 100 personer; och om du växer upp i Wisconsin, du är nödvändigtvis ett stort fan av Green Bay Packers fotbollslag. Så i mina tidiga dagar, jag strävat efter att bli en Green Bay Packer fotbollsspelare och jag slets mellan nummer 66, Ray Nitschke, som är den mellersta linebacker och anses vara den tuffaste linebacker i fotboll; eller vara nummer 31, Jim Taylor, känd fullback för Green Bay Packers. Jag ville vara en Green Bay Packer men den sorgliga nyheten är att Gud inte samarbetade mycket bra i det., Som jag var i min high school slags era, jag ville bli en rockstjärna och spelade i Rockband hela mitt liv. Så om jag inte var en vetenskapsman, hmmm … Åh, det andra som hände när jag var en undergrad, jag, genom tur av dragningen, blev en Kemi major och gillade verkligen inledande, eller freshman kemi, men sedan kom organisk kemi och efter ett och ett halvt år av organisk kemi, jag blev en engelsk major. Men jag jobbade mig tillbaka till kemi. Så du vet kanske … jag älskar att skriva. Jag skriver lite poesi och jag skriver historier och saker bara för skojs skull. Jag kanske är författare., Eller kanske en rockstjärna. Men jag kan inte sjunga.

Brian Gallagher är biträdande forskningsredaktör på Nautilus.