Woda jest zaskakująco prostą substancją, a jednocześnie posiada szereg własności nieodzownych dla życia w znanej nam postaci. U podłoża unikalnych własności wody leży dodatkowa stabilizacja wynikająca z predyspozycji każdej cząsteczki wody do utworzenia do czterech wiązań wodorowych z sąsiadami. W lodzie sieć wiązań wodorowych jest zamrożona, natomiast w cieczy podlega ciągłej reorganizacji.

Badania najmniejszych agregatów (klasterów) wody pozwalają na identyfikację struktur i dynamiki leżących u podłoża własności ‘rzeczywistej’ skondensowanej wody. Najmniejsze klastery wody posiadające realistyczną, trójwymiarową sieć wiązań wodorowych to heksamery, (H₂O)₆, zbadane szczegółowo w roku 2012 [1]. Większe klastery, heptamery [2], nonamery i dekamery [3] także zostały już zaobserwowane i wyznaczono ich dokładne struktury. Tego rodzaju badania stały się możliwe dzięki nowatorskiej metodzie badania skwantowanej rotacji cząsteczek w warunkach niskotemperaturowej fazy gazowej. Metoda ta, zwana fourierowską spektroskopią mikrofalową z zastosowaniem impulsów świergoczących, została opracowana w laboratorium University of Virginia, USA którym kieruje prof. Brookes Pate. Prof. Zbigniew Kisiel z Instytutu Fizyki PAN jest wieloletnim współpracownikiem naukowym tego zespołu, był współuczestnikiem wszystkich tych badań, i prowadzi w IFPAN pracownię zajmującą się badaniami z wykorzystaniem tego samego rodzaju spektroskopii.

Badania heksamerów wody wykazały, że w jednym z trzech zaobserwowanych konformerów, zwanym pryzmą, każda linia spektroskopowa jest rozszczepiona na szereg blisko leżących składowych. Takie zachowanie jest oznaką kwantowo-mechanicznego tunelowania pomiędzy równoważnymi konfiguracjami strukturalnymi. Eksperymentalna obserwacja wszystkich 64 możliwych odmian izotopowych tego heksameru zawierających cząsteczki wody z tlenem ¹⁶O i ¹⁸O zidentyfikowały dwie kluczowe cząsteczki wody odpowiedzialne za występowanie rozszczepienia. Na tym etapie dr Jeremy Richardson i współpracujący z nim teoretycy z Cambridge University, UK, zastosowali swoją niedawno opracowaną metodologię badania dynamiki w takich klasterach. Byli oni w stanie odtworzyć eksperymentalne rozszczepienia i zidentyfikować procesy za nie odpowiedzialne [4]. Okazało się, że jest to pierwszy znany system w którym tunelowanie związane jest ze zmianą położenia dwóch wiązań wodorowych poprzez zsynchronizowaną reorientację dwóch cząsteczek wody. Oczekiwane jest, że jest to prototypowy przykład złożonych procesów zachodzących w bardziej realistycznych układach. Podstawowe aspekty tego wyniku zostały omówione w mniej specjalistyczny sposób w artykule typu ‘perspective’ w tym samym numerze Science [5], a także przedstawione w popularyzacyjnym filmie [6].