آب، مایعی بسیار پیچیده، متشکل از شبکه‌های مولکولی H2O است که توسط پیوندهای هیدروژنی، که مدام تشکیل می‌شوند و میشکنند، به یکدیگر متصل‌اند. بیشتر شناخت ما از این مایع از تحقیقات طیف‌سنجی می‌آید- استراحت دی‌الکتریک، پراکندگی رامان، جذب فروسرخ و پراکندگی پرتو ایکس یا نوترون- که از پرتوافکنی ذرات برای تحقیق در باره جنبه‌های مختلف حرکت‌های اتمی و مولکولی استفاده می‌کنند. آمیختن اطلاعاتی که از همه این تکنیک‌ها استخراج می‌شود، شاید تصویری منسجم از دینامیک این مایع فراهم کند و بر روی پرسش‌های مهم در باره طبیعت آب، نور بیافکند. چگونه پدیده‌های مولکولی مانند ارتعاش‌ها، چرخش‌ها، پخش، تشکیل شدن و شکستن پیوندهای هیدروژنی ویژگی‌های ماکروسکوپی آب ، از جمله ثابت دی‌الکتریک بزرگ‌اش را تعیین می‌کنند. مکانیسم‌هایی که طبق آن‌ها، وقتی درون مایع انرژی سپرده می‌شود، مایع استراحت می‌کند، کدام‌اند؟ فاصله‌ای که از آن مولکول‌های آب یکدیگر را "حس" می‌کنند- طول همبستگی- correlation length- چه اندازه ست؟

شکل 1: تصاویر آزمایش‌های استراحت دی‌الکتریک (چپ) و پراکندگی نوترونی (راست). آربی و همکاران داده‌های دو تکنیک را ترکیب کردند تا بر روی مکانیسم‌های مولکولی که ثابت دی‌الکتریک آب را کنترل می‌کنند نور بیفکنند.

اکنون ارانتسا آربی Arantxa Arbe و همکاران‌اش نتایج اندازه‌گیری‌های استراحت دی‌الکتریک و پراکندگی نوترونی را می‌آمیزند تا تصویری یکپارچه همراه با جزئیات از دینامیک آب در دمای اطاق ارائه دهند. آنها از طریق آزمایش‌های استراحت دی‌الکتریک، ویژگی‌های جمعی استراحت دوقطبی‌های الکتریکی را، که پاسخ ماکروسکوپی دی‌الکتریک آب را تعیین می‌کند، توصیف کردند. آنها سپس با استفاده از حساسیت اندازه‌گیری‌های پراکندگی نوترونی، که حساسیتی در مقیاس اتمی ست، قادر بودند رابطه بین دینامیک مولکولی و رفتار دی‌الکتریک آب را نشان دهند.

اندازه‌گیری‌های استراحت دی‌الکتریک یکی از گسترده‌ترین ابزارهای مورد استفاده برای مشاهده دینامیک آب اند. ساده‌ترین شکل آنها، اعمال یک میدان الکتریکی نوسانگر به خاذنی محتوی مایع و اندازه‌گیری تفاوت فاز بین جریان و ولتاژخازن به عنوان تابعی بر حسب بسامد میدان است (شکل 2 ). از این اندازه‌گیری میتوان پاسخ دی‌الکتریکی مایع را استخراج کرد. این پاسخ با دینامیک دوقطبی‌هایی که توسط میدان اعمال شده برانگیخته شده‌اند مرتبط است.

اخیراً آزمایش‌ها استراحت دی‌الکتریک را در آب خالص تا فرکانس‌های تِراهرتز بررسی کردند. اما از آنجا که طول موج میدان الکتریکی مورد استفاده در چنین آزمایش‌هایی در مرتبه بزرگی سانتی‌متر است، این روش، دینامیک ماکروسکپی گشتاور دوقطبی را به دست می‌آورد اما  نمی‌تواند جزئیات مولکولی که رفتار دی‌الکتریک را توجیح می‌کنند را آشکار  کند.

در مقابل، نوترون‌ها مستقیماً با هسته‌های اتمی برهم‌کنش دارند. آزمایش پراکندگی نوترونی (تصویر 1) می‌تواند حرکات اتمی موضعی و دینامیک جمعی در مقیاس بزرگ‌تر، هر دو را اندازه‌گیری کند. پراکندگی نوترونی می‌تواند آنچه فاکتور دینامیکی یا S(Q,v) می‌نامند را مشخص کند، تابعی از بسامد، v  و انتقال اندازه حرکت، Q ، که به ترتیب معادل‌اند با تفاوت‌های انرژی و اندازه حرکت بین موقعیت‌های اشغال شده توسط یک اتم یا اتم‌های متفاوت در زمان‌های متفاوت. اطلاعات مکانی در خصوص دینامیک مولکولی می‌تواند از وابستگی به Q استخراج شود، همچنانکه دستیابی به اطلاعات زمانی توسط وابستگی به انرژی میسر است.