Local structure of water studied by Compton scattering

This thesis presents a novel application of x-ray Compton scattering to structural studies of molecular liquids. Systematic Compton-scattering experiments on water have been carried out with unprecedented accuracy at third-generation synchrotron-radiation laboratories. The experiments focused on temperature effects in water, the water-to-ice phase transition, quantum isotope effects, and ion hydration. The experimental data is interpreted by comparison with both model computations and ab initio molecular-dynamics simulations. Accordingly, Compton scattering is found to provide unique intra- and intermolecular structural information. This thesis thus demonstrates the complementarity of the technique to traditional real-space probes for studies on the local structure of water and, more generally, molecular liquids.

Vesi on tärkeimpiä yhdisteitä elämän kannalta. Vaikka vettä on tutkittu laajalti, ei sen kaikkia ominaisuuksia ole vieläkään kyetty mallintamaan. Tässä väitöskirjatyössä on kehitetty uutta röntgensäteilyn sirontaan perustuvaa menetelmää veden lähirakenteen tutkimiseen molekyylitasolla. Niin sanottujen Compton-sirontamitttausten avulla on tutkittu muun muuassa lämpötilan ja sulamisen vaikutusta vesimolekyylien lähirakenteeseen sekä erilaisia suolaliuoksia. Kokeellinen työ on tehty kehittyneimmillä synkrotronisäteilylähteillä yhteiseurooppalaisessa ESRF:ssä (Grenoble, Ranska) ja SPring-8:ssa (Hyogo,Japani). Aiempaa selvästi tarkempien kokeellisten mittausten avulla on voitu havaita vettä lämmitettäessä sen vetysidosverkostossa tapahtuvia erittäin pieniä muutoksia. Teoreettisten mallien avulla on voitu edelleen osoittaa kytkentä vetysidoksen ja vesimolekyylin sisäisen rakenteen muutoksen välillä. Saavutetut tulokset ovat merkittäviä veden rakenteen perustutkimuksen kannalta muodostamalla entistä täsmällisemmän perustan kehittyneille vesimalleille.

Vatten är ett av de viktigaste föreningarna för levande organismer. Trots livlig forskning saknas ännu en modell som kan förklara alla dess egenskaper. Avhandlingen beskriver en ny metod för studier av vattnets närstruktur på molekylnivå, baserad på spridning av röntgenstrålning. Inverkan av bland annat temperatur och smältning på vattnets närstruktur samt saltlösingar har undersökts med hjälp av så kallad Compton-spridning. Experimenten har gjorts vid de mest avancerade synkrotronstrålningslaboratorierna: det sameuropeiska ESRF (Grenoble, Frankrike) och SPring-8 (Hyogo, Japan). De avsevärt noggrannare experimenten, jämfört med tidigare, har möjliggjort observationen av små förändringar i det så kallade vätebindningsnätverket vid uppvärmning av vatten. Med hjälp av teoretiska modeller har vidare en koppling mellan förändringar i vätebindningen och vattenmolekylens interna struktur kunnat påvisas. Resultaten är av betydelse för grundforskning inriktad på vattnets struktur, i och med att de bildar en exaktare grund än hittillsvarande för avancerade vattenmodeller.