Watermoleculen transporteren razendsnel energie

Water is ondanks zijn eenvoudige chemische formule (H₂O) in zijn gedrag een zeer ingewikkelde stof. Een belangrijke eigenschap van watermoleculen is dat ze zeer sterke bindingen met andere watermoleculen kunnen vormen, de zogenaamde waterstofbruggen. Deze waterstofbruggen zorgen ervoor dat er in water zeer ingewikkelde netwerken van moleculen bestaan. Ook bínnen het watermolecuul zijn de interacties sterk. De waterstofatomen (H) zijn sterk aan het zuurstofatoom (O) gebonden en kunnen trillen ten opzichte van het zuurstofatoom. Het is alsof het zuurstof- en het waterstofatoom met een veertje aan elkaar zitten; het veertje wordt door de trillingsenergie in het molecuul voortdurend iets uitgerekt, krimpt dan weer, rekt opnieuw uit en zo verder. Deze trilling heeft een zeer hoge frequentie, namelijk 100.000 miljard keer per seconde. Verder is hij gekwantiseerd; dat betekent dat er alleen zeer bepaalde hoeveelheden energie in deze interne trilling van het watermolecuul kunnen zitten.

Overdracht van trillingsenergie voor het eerst gemeten
Sander Woutersen en Huib Bakker hebben ontdekt dat een watermolecuul de interne trilling tussen het zuurstofatoom en een waterstofatoom (O-H-vibratie) razendsnel aan een ander watermolecuul kan overdragen. Om dit te kunnen meten hebben ze eerst trillingsenergie aan bepaalde watermoleculen toegevoerd met behulp van een ultrakorte intense laserpuls met een infrarode golflengte (2,94 micrometer). Bij deze golflengte is de trillingsfrequentie van licht precies hetzelfde als de trillingsfrequentie van de O-H-vibratie van het watermolecuul. Vervolgens hebben ze gemeten hoe snel die interne trilling aan andere watermoleculen wordt overgedragen. Het oplossend vermogen in de tijd dat ze bereikten was ongeveer 100 femtoseconden (ofwel ééntienduizendste van een miljardste van een seconde). In die tijd was de trillingsenergie al vele moleculen ver getransporteerd. Het overdragen van de energie van het ene watermolecuul naar het andere gaat dus nog veel sneller dan die 100 femtoseconden.

Om inzicht te krijgen in het mechanisme waarmee de trillingsenergie wordt overgedragen hebben Woutersen en Bakker gewoon water (H₂O) gemengd met water waarin de gewone waterstofatomen zijn vervangen door deuteriumatomen (D₂O). Het deuteriumatoom (D) is twee keer zo zwaar als het waterstofatoom, maar heeft verder dezelfde chemische eigenschappen als gewoon waterstof. Door het grotere gewicht van het deuterium hebben de interne trillingen van het D₂O-molecuul een veel lagere frequentie dan de trillingen van het H₂O-molecuul. Daardoor kan een H₂O-molecuul zijn interne trillingsenergie niet overdragen aan een D₂O-molecuul. Door de hoeveelheid toegevoegd D₂O te veranderen, kan de gemiddelde afstand tussen de O-H-groepen van afzonderlijke watermoleculen worden gevarieerd. De onderzoekers ontdekten dat de O-H-groepen ook energie aan elkaar kunnen overdragen als ze op enige afstand van elkaar zitten, zij het dat het proces dan veel langzamer gaat dan in puur H₂O. Door de afstand tussen de O-H-groepen systematisch te variëren, konden de onderzoekers het mechanisme van energieoverdracht voor de mengsels van H₂O en D₂O ontsluieren. Het blijkt dat de interne trilling in het H₂O-molecuul een oscillerend elektrisch veld opwekt, wat in een ander H₂O-molecuul de trilling kan aandrijven.

Verrassend resultaat
Zeer verrassend was dat voor puur H₂O de energieoverdracht nog sneller verloopt dan op grond van het opgewekte elektrische veld mag worden verwacht. Dat betekent dat voor puur H₂O het overdrachtmechanisme nog niet helemaal is begrepen en dat mogelijk andere, nog niet bekende, mechanismen bijdragen aan het energietransport.

Slimme, simpele truc
De technische uitvoering van het experiment vereiste een vernuftige ingreep, die uiteindelijk heel simpel bleek te zijn. Om het energietransport in water goed te kunnen meten, moest het monster heel dun zijn (0,001 millimeter). In de gebruikte laserpuls zit echter heel veel energie, die het water opwarmt en zo de meting kan beïnvloeden. Om dit te voorkomen maakte groepstechnicus Hinco Schoenmaker een soort naaimachineconstructie in het klein. Die laat een ronde houder waarin het waterlaagje zit, op en neer bewegen. Door de laserpuls uit het midden van het monster te richten, wordt tijdens het experiment steeds een ander gebiedje in het monster beschenen en kan het eerder bestraalde gebiedje intussen afkoelen.

Betekenis van het onderzoek
De metingen betekenen dat watermoleculen heel snel en efficiënt trillingsenergie aan elkaar kunnen overdragen. Daardoor kunnen netwerken van watermoleculen ook zeer efficiënt energie transporteren tussen andere moleculen in het water. Als je daarover wilt speculeren, zo zeggen de onderzoekers, dan kun je denken aan in water opgeloste biomoleculen en grote biomoleculaire structuren, waarin O-H-groepen zitten. Een ander aspect is dat O-H-groepen in een waterarme omgeving hun trillingsenergie veel langer kunnen vasthouden dan in een waterrijke omgeving. Dit kan bijvoorbeeld een rol spelen voor eiwitten die in beide soorten omgevingen voorkomen. Zo kan dit onderzoek bijdragen aan een beter begrip van de bijzondere eigenschappen van (bio)chemische processen in een waterig milieu. Op de langere termijn levert meer inzicht in hoe reacties in water verlopen en wat de rol van de watermoleculen daarbij is wellicht kennis op om bepaalde reacties of processen in water beter of juist slechter te laten verlopen.