Moleculen in een vloeistof niet kriskras door elkaar
Oud-FOM-promovendus Matthijs Panman heeft samen met collega's van de Universiteit van Amsterdam aangetoond dat moleculen in vloeibaar alcohol niet willekeurig ten opzichte van elkaar zijn georiënteerd. De hoek tussen twee naburige alcoholmoleculen blijkt meestal ongeveer 120 graden te zijn. Deze vondst weerlegt het alomtegenwoordige idee dat moleculen in een vloeistof kriskras door elkaar zitten. De onderzoekers publiceren hun werk op 12 november 2014 in Physical Review Letters.
In een vloeistof zitten de moleculen kriskras door elkaar, zo leren we op school. Of is het toch niet helemaal kriskras? Op grond van computersimulaties bestaat al jarenlang het idee dat moleculen in veel vloeistoffen toch een mate van ordening kennen, met name als de moleculen sterke interactie met elkaar hebben zoals bijvoorbeeld het geval is in water of alcohol. Panman heeft laten zien dat dit idee klopt: in alcohol is sprake van lokale oriëntatie-orde. Dat betekent dat naburige moleculen ten opzichte van elkaar een vrij precies bepaalde hoek hebben, terwijl er geen lange-afstand-ordening is zoals bijvoorbeeld in een kristal.
Licht en trillingen
De FOM-onderzoekers, werkzaam bij het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences te Amsterdam, bedachten een experiment om de lokale orde waar te nemen. Elk alcoholmolecuul bevat een binding tussen zijn zuurstofatoom (O) en waterstofatoom (H). De onderzoekers beschenen de alcohol met zeer korte infrarode lichtpulsen van ongeveer een biljoenste van een seconde lang. Als het infraroodlicht de juist frequentie heeft, zal bij een deel van de alcoholmoleculen de O-H-binding dankzij resonantie harder gaan trillen. De binding wordt langer en korter, op de maat van de lichtgolf.
Het gebruikte licht is gepolariseerd, wat betekent dat het elektrische veld van het licht een vaste richting heeft. Het licht brengt alleen die O-H-bindingen aan het trillen die parallel staan aan zijn elektrische veld. Vervolgens geven deze trillende bindingen de beweging door aan de O-H-bindingen van buurmoleculen. Deze bindingen hebben immers dezelfde resonantiefrequentie. Als er een hoek zit tussen de twee naburige O-H-groepen, zullen er na het overspringen van de trilling ook moleculen trillen die niet parallel staan aan het elektrische veld van de infrarode puls. Hoe sterk dit effect is, hangt af van de hoek tussen O-H-bindingen van de buurmoleculen.
120 graden
Door de overdracht van trillingen waar te nemen, konden de onderzoekers de gemiddelde hoek tussen buurmoleculen bepalen. Zij vonden dat de naburige O-H-bindingen in alcohol een hoek van ongeveer 120 graden met elkaar maken. In andere vloeistoffen kan die hoek anders zijn: zo blijken in de vloeistof N-methylacetamide de bindingen tussen het stikstofatoom en het waterstofatoom van naburige moleculen ongeveer parallel aan elkaar te staan. De lokale orde wordt in beide vloeistoffen veroorzaakt door interacties (waterstofbruggen) tussen de naburige moleculen. Overigens bestaat de lokale orde steeds maar enkele biljoensten van seconden, omdat het netwerk van waterstofbruggen heel dynamisch is: er worden continu waterstofbruggen tussen moleculen verbroken en nieuwe gevormd.
Het onderzoek biedt een beter begrip van vloeistoffen en het gedrag van hun moleculen. Een goede kennis van vloeistoffen is essentieel om te begrijpen hoe chemische reacties plaatsvinden, en zo hun efficiëntie te kunnen verhogen.
Contact
Prof.dr. Sander Woutersen +31 (0)20 525 70 91
Dr. Bernd Ensing, +31 (0)20 525 50 67