Olie laat water op moleculaire schaal bevriezen
Water en olie mengen niet, dat weet iedereen. Minder bekend is dat dit verschijnsel ten grondslag ligt aan tal van biologische processen, waaronder de vorming van celmembranen, het vouwen van eiwitten en de werking van bepaalde medicijnen. Bij deze processen speelt de wisselwerking tussen water en vetachtige moleculen een belangrijke rol. Hierover bestaat echter al meer dan een halve eeuw een controverse: bepaalde experimenten suggereren namelijk dat er een ijsachtige laag van watermoleculen gevormd wordt rondom vetachtige moleculen, terwijl uit andere metingen volgt dat water zich helemaal niets aantrekt van zo'n molecuul. Natuurkundigen van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam hebben deze controverse nu beslecht. Door gebruik te maken van ultrasnelle lasertechnieken ontdekten de onderzoekers dat watermoleculen rondom een vetachtig molecuul weliswaar geïmmobiliseerd worden zoals in ijs, maar toch de structuur hebben van vloeibaar water! De resultaten van dit onderzoek verschijnen begin oktober 2007 in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.
Er bestaat al zo'n zestig jaar onenigheid over de structuur die water aanneemt rondom opgeloste vetachtige moleculen (ook wel apolaire of hydrofobe moleculen genoemd). Aan de ene kant staat een inmiddels beroemde theorie uit de jaren 40 van de vorige eeuw van de Amerikaanse onderzoekers Henry Frank en Marjorie Evans. Op grond van warmtemetingen concludeerden zij dat apolaire moleculen omringd worden door een ijsachtige laag van watermoleculen. Frank en Evans gaven de ijsachtige laag de tot de verbeelding sprekende naam ijsberg. Aan de andere kant staan experimenten waarmee wetenschappers structurele informatie kunnen verkrijgen over vloeistoffen, zoals infrarood spectroscopie en neutronendiffractie. Deze laten een volstrekt ander beeld zien. Volgens deze experimenten merkt het water namelijk helemaal niets van een hydrofoob molecuul: de structuur valt niet te onderscheiden van die van zuiver water en lijkt al helemaal niet op die van een ijsberg!
Yves Rezus en Huib Bakker van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam kozen voor een nieuwe aanpak. Zij besloten om de beweeglijkheid (reoriëntatie) van watermoleculen te bestuderen in water waarin een kleine hoeveelheid apolaire moleculen was opgelost. De gedachtegang hierachter was dat, als hydrofobe ijsbergen werkelijk bestaan, dit van invloed moet zijn op de beweeglijkheid van de watermoleculen. Immers, in gewoon water kunnen watermoleculen vrijwel ongehinderd bewegen terwijl ze in ijs zo goed als stilstaan.
Experiment
Rezus en Bakker gebruikten ultrasnelle lasertechnieken om de beweeglijkheid van watermoleculen in oplossingen van hydrofobe stoffen te bepalen. De onderzoekers voegden hiertoe een kleine hoeveelheid zwaar water (D2O) toe aan de oplossingen. Zo ontstonden HDO-moleculen, dat zijn watermoleculen met één normaal waterstofatoom (H) en een zwaar waterstofatoom (D). Deze moleculen zijn chemisch identiek aan gewone watermoleculen maar hebben het voordeel dat de onderzoekers hun reoriëntatie met ultrasnelle mid-infrarood spectroscopie kunnen bepalen.
In het experiment beschijnen Rezus en Bakker de oplossingen met mid-infrarood laserpulsen van honderd femtoseconde (1 femtoseconde = 10-15 seconde), met een golflengte van vier micrometer. Absorptie van de lichtpuls leidt tot een trilling van het D-atoom in het HDO-molecuul. Met een tweede, iets vertraagde lichtpuls kijken ze vervolgens over welke hoek de trillende OD-groep gedraaid is in de tijd tussen de twee lichtpulsen. Door de tijd tussen de twee lichtpulsen te variëren kan men de draaiing van de HDO-moleculen real-time volgen.
Beweeglijkheid van water in oplossingen van apolaire stoffen
De onderzoekers bepaalden de reoriëntatie van watermoleculen in oplossingen van verschillende hydrofobe moleculen. Deze oplossingen bleken twee soorten watermoleculen te bevatten: moleculen die snel bewegen, ongeveer even snel als in gewoon water, en moleculen die veel trager reoriënteren. De langzaam bewegende watermoleculen vormen een direct bewijs voor de aanwezigheid van hydrofobe ijsbergen!
Door de concentratie opgeloste stof te variëren konden Rezus en Bakker de grootte van de ijsberg bepalen. Deze bleek af te hangen van de grootte van het hydrofobe molecuul, en met name van het aantal apolaire methylgroepen (CH3-groepen) die het molecuul bevat. De ijsberg blijkt klein te zijn: elke methylgroep draagt twee watermoleculen bij aan de ijsberg.
Open structuur
De experimenten van Rezus en Bakker laten op overtuigende wijze zien dat hydrofobe ijsbergen bestaan. Maar hoe zit het dan met al die andere experimenten, die zeggen dat de structuur van het omringende water helemaal niet ijsachtig is? De sleutel blijkt te liggen in de bijzondere structuur van vloeibaar water. Water is namelijk geen normale vloeistof waarin de moleculen dicht op elkaar gepakt zitten, maar bestaat uit een open netwerk van watermoleculen, bij elkaar gehouden door waterstofbruggen. Dit netwerk bevat relatief veel holtes. Opgeloste hydrofobe moleculen gaan bij voorkeur in deze holtes zitten. Hierbij verstoren ze de structuur van waterstofbruggen van het water niet. Wel hebben watermoleculen in de buurt van zo'n opgevulde holte minder ruimte om te draaien, wat de langzame reoriëntatie van deze watermoleculen verklaart. Het gaat allemaal om het verschil tussen structuur en dynamica: hydrofobe ijsbergen hebben de trage dynamica van ijs maar de waterstofbrugstructuur van vloeibaar water.
Implicaties
De structuur van water rondom apolaire chemische groepen speelt een belangrijke rol bij het zogenaamde hydrofoob effect. Dit effect zorgt ervoor dat in water opgeloste hydrofobe deeltjes elkaar aantrekken. Het hydrofoob effect is dé drijvende kracht in allerlei biologische processen. Het is verantwoordelijk voor de zelfassemblage van membranen rondom cellen en voor het vouwen van eiwitten tot complexe drie-dimensionale structuren. Daarnaast wordt in bepaalde gevallen de binding van medicijnen aan eiwitten door het hydrofoob effect gedreven. De resultaten van dit onderzoek bieden inzicht in de rol die water speelt bij het hydrofoob effect en kunnen bijdragen aan een beter begrip van de biologische processen die erdoor gedreven worden.
Referentie: Observation of immobilized water molecules around hydrophobic groups, verschijnt op 5 oktober 2007 in druk in Physical Review Letters, de auteurs zijn Yves Rezus en Huib Bakker.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met Yves Rezus, FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF), telefoon: (020) 608 12 50 of (020) 608 12 34.