Hoe twee watermoleculen samen dansen

Gepubliceerd 16 augustus 2019

Een internationaal team van onderzoekers bekeek hoe watermoleculen op elkaar inwerken en gebruikte daarvoor de laser van extreme hoge resolutie van het FELIX laboratorium van de Radboud Universiteit. De bevindingen geven beter inzicht in de bijzondere eigenschappen van water. Ze zijn gepubliceerd in Angewandte Chemie.

Ondanks dat water overal is, begrijpen we nog niet veel van de wisselwerking tussen individuele watermoleculen. Onderzoekers zijn er nu voor het eerst in geslaagd om de bewegingen tussen watermoleculen volledig te bestuderen, beter bekend als intermoleculaire vibraties. Daarbij is een bepaalde beweging van individuele watermoleculen tegen elkaar belangrijk, zogeheten ‘belemmerde draaiing’.

Onbekende wisselwerking

Water is het belangrijkste oplosmiddel in scheikunde en biologie en heeft een aantal bijzondere eigenschappen, zoals dat water de hoogste dichtheid bereikt bij 4 graden Celsius. Dat komt door de interacties tussen watermoleculen. ‘Het beschrijven van deze interacties bleef een uitdaging voor de wetenschap’, vertelt Martina Havenith, hoogleraar aan de Ruhr-Universität Bochum.

Experimenten bij extreme lage temperaturen

Het team onderzocht de meest simpele interactie, namelijk die tussen twee individuele watermoleculen, met behulp van terahertz spectroscopie. De onderzoekers zonden korte pulsen van straling in het terahertz bereik door het monster, dat een deel van de straling opneemt. Het opnamepatroon geeft informatie over de interacties waarbij moleculen elkaar aantrekken. De onderzoekers analyseerden de watermoleculen bij extreem lage temperaturen omdat een verbinding tussen twee watermoleculen bij kamertemperatuur niet stabiel zou zijn. Om dit te doen, stopten de onderzoekers individuele watermoleculen in een kleine druppel helium, een druppel met een temperatuur van 0.4 Kelvin (-272.75 graden Celsius). De druppels zijn te vergelijken met een stofzuiger die de individuele watermoleculen opzuigen.

Door deze aanpak konden de onderzoekers het spectrum van de belemmerde draaiingen voor het eerst waarnemen. ‘Watermoleculen zijn steeds in beweging’, legt Martina Havenith uit. ‘Ze roteren, gaan open en dicht.’ Maar als een watermolecuul dicht in de buurt komt bij een ander watermolecuul, kan het molecuul zich niet meer vrij bewegen – dat wordt ‘belemmerde draaiing’ genoemd.

Een multidimensionele energiekaart

De interactie tussen watermoleculen kan je weergeven in de vorm van de zogeheten elektrische potentiaal van water. ‘Dit is een multidimensionele kaart die laat zien hoe de energie van watermoleculen verandert wanneer de afstanden en hoeken tussen de moleculen veranderen’, legt Havenith uit. Alle eigenschappen, waaronder dichtheid, geleidingsvermogen of verdampingstemperatuur, kunnen worden afgeleid van deze potentiaal. ‘Onze metingen maken het nu mogelijk om de best mogelijke test van alle potentialen te ontwikkelen,’ concludeert Havenith.

Publicatie

Raffael Schwan, Chen Qu, Devendra Mani, Nitish Pal, Gerhard Schwaab, Lex van der Meer, Britta Redlich, Claude LeForestier, Joel Bowman, Martina Havenith, Observation of the low frequency spectrum of water dimer as a sensitive test of the water dimer potential and dipole moment surfaces, in: Angewandte Chemie International Edition, 2019, DOI: 10.1002/anie.201906048

BRON: Ruhr-Universität Bochum / Radboud Universiteit Nijmegen