Molecuulconcert op het water
Een watermassa heeft aan zijn oppervlak een heel andere structuur dan tot nu toe altijd is gedacht. Dat laten onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, de Universiteit Utrecht en de Universiteit van Amsterdam zien door te kijken naar de frequenties van trillende watermoleculen aan het oppervlak. Ondanks het feit dat meer dan de helft van het aardoppervlak wordt gevormd door water, weten we weinig over de moleculaire structuur van het wateroppervlak. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 28 april 2008 in de online-editie van de Physical Review Letters van deze week.
Water is een unieke vloeistof, die wordt gekenmerkt door de sterke wisselwerking tussen de watermoleculen – door zogenaamde waterstofbruggen. Het netwerk van waterstofbruggen dat aan het oppervlak onderbroken is verleent dat wateroppervlak een aantal bijzondere eigenschappen. Een voorbeeld hiervan is de extreem hoge oppervlaktespanning, waardoor waterjuffers over water kunnen schaatsen. Begrip van het wateroppervlak is niet alleen van fundamenteel belang, maar ook belangrijk voor onderzoeksgebieden als de biofysica van membranen, elektrochemie en atmosferische chemie.
Een bijzondere manier om de moleculen aan het wateroppervlak te onderzoeken is door met een speciale laser te 'luisteren' naar de interne trillingen van de watermoleculen. Het watermolecuul bevat twee bindingen tussen het zuurstofatoom en de waterstofatomen. Die bindingen vormen kleine veertjes waardoor de atomen ten opzichte van elkaar kunnen trillen (zie figuur 1, links en het filmpje). De frequentie van deze zogenaamde strektrilling wordt bepaald door de sterkte van de veer die op zijn beurt weer afhangt van de wisselwerking met de omringende watermoleculen. De frequentie (toon) geeft dus informatie over de omgeving van het watermolecuul. Een watermolecuul dat volledig omgeven is door andere moleculen (in de bulk) trilt met één frequentie. Aan het oppervlak zijn echter twee frequenties te horen. De ene frequentie lijkt op die van watermoleculen in vloeibaar water; de andere op die van watermoleculen in ijs. Daarom denkt men al decennia lang dat er aan het oppervlak twee soorten watermoleculen bestaan: watermoleculen en ijsachtige moleculen.
De onderzoekers hebben nu de oorsprong van de tonen van het wateroppervlak nader onderzocht met behulp van isotoopvervanging. Ze hebben één waterstofatoom in het watermolecuul (H2O) vervangen door een deuteriumatoom (een zwaardere versie van het waterstofatoom - H2O wordt daardoor HDO) en opnieuw geluisterd naar de tonen van watermoleculen aan het oppervlak. Als er werkelijk vloeibaar en ijsachtig water op het oppervlak zou bestaan, zou de muziek op het HDO-oppervlak hetzelfde moeten klinken als op een H2O-oppervlak: net als H2O-moleculen zouden de HDO-moleculen in ijs- en waterachtige omgevingen zitten, en die omgeving bepaalt de toon van de O-H-strektrilling van het HDO-molecuul. Echter, voor het HDO-oppervlak hoorden de onderzoekers niet twee tonen, maar slechts één toon! De verklaring blijkt, aldus de onderzoekers, te zitten in de trillingen in de moleculen. Naast de strektrillingen bestaat er nog een trilling van het watermolecuul; daarbij buigt het (zie figuur 1, rechts). De koppeling van deze buigtrilling met de strektrillingen leidt tot twee nieuwe gemengde trillingen. De frequenties van deze trillingen verschillen zodat er twee tonen over het wateroppervlak klinken. Elk watermolecuul speelt een tweeklank! Voor HDO zijn de trillingen niet gekoppeld en klinkt er maar één enkele toon (zie figuur 2). Dat betekent dat de twee tonen op het H2O-oppervlak niet afkomstig zijn van vloeibaar en ijsachtig water, maar door elk H2O-molecuul afzonderlijk worden voortgebracht.
De onderzoekers kunnen met hun techniek specifiek 'luisteren' naar de allerbuitenste, laatste molecuullaag (of monolaag) water, op de grens met lucht. Er zijn maar weinig andere onderzoeksgroepen in de wereld die dat ook kunnen. Door hun techniek hoeven de onderzoekers geen moeite te doen om het signaal van het oppervlak te scheiden van het signaal van de bulk. Dat probleem speelt wel als naar de wisselwerking tussen watermoleculen en deeltjes die in dat water zweven gekeken wordt. In dat geval is er wel altijd invloed van de bulk.
Op moleculaire schaal is oppervlaktewater is dus een stuk eenvoudiger dan voorheen werd gedacht: de waterjuffer schaatst alleen op water, en niet op ijsachtige moleculen. De afwezigheid van verschillende oppervlaktestructuren van water is van essentieel belang voor het begrip van de rol van water in een veelvoud van disciplines.
Meer informatie bij prof.dr. Mischa Bonn, telefoon (020) 608 12 34.
Referentie:
The vibrational response of hydrogen-bonded interfacial water is dominated by intramolecular coupling, Maria Sovago1, Kramer Campen1, George Wurpel2, Michiel Müller3, Huib Bakker1 en Mischa Bonn1, Physical Review Letters, 28 april 2008, vol. 100.
__________
1 FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF)
2 Debye Instituut, Universiteit Utrecht
3 Swammerdam Institute for Life Sciences, Universiteit van Amsterdam