Langzaam water
Watermoleculen gedragen zich in de buurt van ionen totaal anders dan in de buurt van andere watermoleculen. Dat hebben onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam als eersten in de wereld experimenteel aangetoond. Het blijkt dat de watermoleculen in de nabijheid van het ion zich twintig keer langzamer bewegen dan gewone watermoleculen. Dit resultaat is van belang voor het begrijpen van reacties tussen ionen en moleculen in waterig milieu, zoals deze bijvoorbeeld plaatsvinden in een cel. De onderzoekers, Michel Kropman en Huib Bakker, publiceren hun bevindingen in Science van 16 maart aanstaande.
Het watermolecuul (H2O) is een zeer eenvoudig molecuul dat er uitziet als het hoofd van Mickey Mouse. De oren van het hoofd worden gevormd door twee waterstofatomen (H) en de rest van het hoofd door het zuurstofatoom (O). Essentieel voor vrijwel alle eigenschappen van water is dat de oren van het hoofd elektrisch positief geladen zijn en de rest van het hoofd elektrisch negatief. Door dit ladingsverschil kan een watermolecuul zeer sterk plakken aan andere watermoleculen en aan andere in water opgeloste moleculen en ionen. Dit plakken wordt wel aangeduid als solvatatie en heeft grote invloed op het verlopen van reacties in waterig milieu, zoals bijvoorbeeld in een cel. Water wordt dan ook wel eens aangeduid als het oplosmiddel van het leven, omdat de solvatatie-interacties bepaalde essentiële (bio)chemische reacties mogelijk maken. Er bestaat dan ook grote interesse in de precieze sterkte en dynamica van de solvatatie (plakkende) wisselwerking tussen watermoleculen en in water opgeloste moleculen en ionen. Ondanks deze grote interesse is van deze wisselwerking nog maar heel weinig bekend. Dit komt doordat het met de meeste experimentele technieken niet mogelijk is om de plakkende, solvaterende watermoleculen te onderscheiden van gewone, bulk-watermoleculen.
Nieuwe techniek
Michel Kropman en Huib Bakker van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica hebben nu echter een techniek ontwikkeld waarmee het wél mogelijk is om de solvaterende watermoleculen te onderscheiden van de bulk-watermoleculen. De truc van deze techniek is als volgt. De onderzoekers bestralen een oplossing van ionen, bijvoorbeeld keukenzout (= natriumchloride= NaCl), in water met een korte intense laserpuls. De tijdsduur van deze laserpuls is 0,2 picoseconden (1 picoseconde = 0,000.000.000.001 seconde) en de kleur van het laserlicht is in het infrarode deel van het spectrum en heeft een golflengte van ongeveer 3000 nanometer (zichtbaar licht heeft een golflengte tussen de 400 en 750 nanometer). Door deze infrarood lichtpuls komen de watermoleculen in trilling; om precies te zijn, de oren van Mickey Mouse (waterstofatomen) gaan trillen ten opzichte van de rest van het hoofd van Mickey (zuurstofatoom). Met een tweede lichtpuls verrichten de onderzoekers metingen aan de trillende watermoleculen. Zo kunnen ze bijvoorbeeld zien hoe snel deze moleculen bewegen ten opzichte van andere moleculen.
De trilling van de oren van Mickey dempt heel snel uit, maar - en dat was een verrassing! - de trilling verdwijnt veel sneller voor bulk-watermoleculen dan voor de watermoleculen die aan opgeloste ionen als chloride (Cl-), bromide (Br-) of iodide (I-) geplakt zitten. Dat betekent dat na enige tijd (ongeveer 1 picoseconde) alleen nog de solvaterende moleculen in trilling zijn. Dit maakt het voor het eerst mogelijk om zeer selectief metingen te verrichten aan de beweeglijkheid van deze solvaterende watermoleculen. De onderzoekers vonden dat deze watermoleculen verrassend langzaam bewegen - met een karakteristieke tijdschaal van ongeveer 15 picoseconden. Dat is ongeveer twintig keer zo langzaam als voor watermoleculen in bulk-water. Ook vonden ze dat de afstand tussen de solvaterende watermoleculen en het opgeloste ion zeer goed bepaald is. De spreiding in de afstand tot het ion is maar liefst 3 keer kleiner dan de variatie in afstand tussen twee watermoleculen in bulk-water.
Betekenis van het onderzoek
Deze waarnemingen betekenen dat de watermoleculen een zeer goed gedefinieerde en langlevende structuur vormen (solvatatieschil) rond het opgeloste ion (zie figuur). Dat betekent dat het relatief lang duurt voordat de watermoleculen los komen van het ion. Dit heeft grote invloed op de snelheid waarmee het ion kan reageren. Immers, om opgeloste ionen en moleculen met elkaar te kunnen laten reageren, moeten eerst de watermoleculen tussen de ionen en moleculen verdwijnen. De invloed van water op (bio)chemische reacties in waterig milieu is dus zeer gecompliceerd. Enerzijds kunnen de sterke plakkende interacties van watermoleculen met opgeloste moleculen en ionen een reactie energetisch mogelijk maken, maar anderzijds blijkt uit de huidige experimenten dat deze interacties ook tot een aanzienlijke vertraging van de reactie kunnen leiden. De moleculen moeten als het ware wachten met reageren tot de watermoleculen die hen scheiden zijn verdwenen.
Meer informatie bij drs. Michel Kropman of dr. Huib Bakker, FOM-Instituut AMOLF, Amsterdam, telefoon: (020) 608 12 34, e-mail: respectievelijk kropman@amolf.nl en bakker@amolf.nl.