Water is een unieke vloeistof, die wordt gekenmerkt door de sterke wisselwerking tussen de watermoleculen – zogenaamde waterstofbruggen. Doordat sommige waterstofbruggen aan het oppervlak onderbroken worden, krijgt het wateroppervlak een aantal bijzondere eigenschappen. Een voorbeeld hiervan is de extreem hoge oppervlaktespanning, waardoor sommige insecten 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.

Luisterende laser

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 H₂) bevat twee bindingen tussen het zuurstofatoom (O) en de waterstofatomen (H₂). Die bindingen vormen kleine veertjes waardoor de atomen ten opzichte van elkaar kunnen trillen. De frequentie van deze zogenaamde strektrilling wordt bepaald door de sterkte van de veer. Die hangt weer af 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.

Tweeklank

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.

Aan het HDO-oppervlak hoorden de onderzoekers niet twee tonen, maar slechts één toon! De verklaring zit volgens de onderzoekers in de trillingen in de moleculen. Naast de strektrillingen bestaat er nog een trilling van het watermolecuul; daarbij buigt het. 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. 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.

Op moleculaire schaal is oppervlaktewater is dus een stuk eenvoudiger dan voorheen werd gedacht: het insectje 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.

Natuurkundigen Maria Sovago, Kramer Campen, George Wurpel, Michiel Müller, Huib Bakker en Mischa Bonn presenteren hun waterconcert in dePhysical Review Letters van 28 april 2008. Hun artikel heet The vibrational response of hydrogen-bonded interfacial water is dominated by intramolecular coupling. Aan het onderzoek werkten onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF), het Debye Instituut van de Universiteit Utrecht en het Swammerdam Institute for Life Sciences van de Universiteit van Amsterdam.