Oppervlaktewater 'communiceert' supersnel met onderliggend bulkwater
Oppervlaktewater en het daaronder liggende bulkwater wisselen bliksemsnel energie uit. Dat stelden onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam vast met een nieuwe, door hen ontwikkelde techniek. Zij ontdekten dat, hoewel de structuur van het oppervlaktewater verschilt van de structuur van bulkwater, het dynamische gedrag toch bij allebei hetzelfde is dankzij razendsnelle energie-uitwisseling. Dat leidt tot nieuwe fundamentele inzichten in het gedrag van water. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in Physical Review Letters op 2 maart 2007.
Meer dan de helft van het aardoppervlak bestaat uit water. Dankzij allerlei experimentele technieken is er over het gedrag van bulkwater al vrij veel bekend. Van oppervlaktewater – precies dat laagje van één molecuul dik, waar het water de lucht raakt – veel minder. Dat komt omdat het erg lastig is het oppervlaklaagje (minder dan een nanometer dik) te bestuderen. De daar gemeten signalen gaan gewoonlijk verloren in het veel grotere bulksignaal. Om toch uitspraken te kunnen doen over de structuur en het gedrag van oppervlaktewater combineerden de AMOLF-onderzoekers twee technieken: zogenoemde Som Frequentie Generatie (SFG) en ultrasnelle tijdsopgeloste metingen van watermoleculen. Ultrasnel wil in dit geval zeggen: sneller dan ongeveer 100 femtoseconden. Ter oriëntatie: één femtoseconde verhoudt zich tot één seconde als één seconde tot ongeveer de leeftijd van de aarde.
Waterstofbruggen
Met behulp van SFG is het mogelijk de vibraties van de buitenste laag watermoleculen in kaart brengen (zie figuur 1). Deze techniek is oppervlaktespecifiek: het signaal kan alleen maar van oppervlaktewater komen. Watermoleculen hebben de karakteristieke eigenschap dat ze onderling sterke interactie hebben en waterstofbruggen vormen. Aan het oppervlak wordt het waterstofnetwerk onderbroken. Dit leidt tot behoorlijke verschillen tussen de vibratiespectra van bulk- en oppervlaktewater. Desondanks is het moeilijk om uitspraken te doen over de aard en structuur van oppervlaktewater. Daarom maakten de onderzoekers ook gebruik van supersnelle (1 femtoseconde = 10–15 seconde) 'tijdsopgeloste' metingen, een soort stroboscopische verlichting van het oppervlak met ultrakorte laserpulsen.
Energiedynamica
Bij onderzoek naar bulkwater is al vaker gebruik gemaakt van tijdsopgeloste metingen. Hierbij worden moleculen met een intense laserpuls vanuit de bestaande situatie naar een energetisch hogere toestand gebracht. Vervolgens wordt gekeken hoe de moleculen na verloop van tijd weer 'vervallen' naar de oorspronkelijke situatie. Dit energiedynamica-proces is sterk afhankelijk van de waterstofbruggen en geeft gedetailleerde informatie over de structuur van het water. Zo toonde eerder onderzoek aan dat de energiedynamica van water in de buurt van ionen anders is dan die van water dat omringd is door andere watermoleculen. Ook water in kleine druppels gedraagt zich heel anders dan bulkwater.
Gecombineerde techniek
Door nu voor het eerst de ultrasnelle tijdsopgeloste techniek toe te passen in combinatie met SFG aan het oppervlak van water en lucht konden de onderzoekers de energiedynamica van met name de oppervlaktewatermoleculen karakteriseren. Verrassend genoeg lijkt deze erg op die van bulkwater, ondanks het feit dat het waterstofbrugnetwerk aan het oppervlak onderbroken is. De onderzoekers vonden ook de verklaring voor de gelijkenis tussen oppervlakte- en bulkwater: er vindt een voortdurende uitwisseling van energie plaats tussen bulk- en oppervlaktewater en vice versa (zie figuur 2). Zij noemen het een continue supersnelle communicatie tussen moleculen aan het oppervlak en moleculen in de bulk net onder het oppervlak. Door de ontdekking van deze communicatie valt te verklaren dat de energiedynamica aan het oppervlak gelijk is aan dat in de bulk, ondanks het verschil in structuur. De nieuwe informatie geeft meer inzicht in het functioneren van het water-lucht-oppervlak. Momenteel gebruiken onderzoekers de techniek om water in contact met celmembranen te bestuderen.
De titel van het artikel luidt: 'Ultrafast vibrational energy transfer between surface and bulk water at the air-water interface'; het wordt gepubliceerd op 2 maart 2007 in Physical Review Letters. De auteurs zijn: Marc Smits, Avishek Ghosh, Martin Sterrer, Michiel Müller en Mischa Bonn.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Dr. Marc Smits, FOM-Instituut AMOLF, Amsterdam, telefoon (020) 608 13 51 of prof.dr. Mischa Bonn, FOM-Instituut AMOLF, Amsterdam, telefoon (020) 608 12 34.