Je leest:

Razendsnelle moleculen aan het wateroppervlak

Razendsnelle moleculen aan het wateroppervlak

Auteur: | 31 augustus 2011

Met ultrasnelle laserapparatuur filmden Amsterdamse onderzoekers moleculen aan het oppervlak van een watermassa. En wat zagen ze? Dat de moleculen daar veel sneller en soepeler draaien dan de moleculen ‘binnenin’ het water. Hun onderzoeksresultaten verschijnen binnenkort in het tijdschrift Physical Review Letters.

Petesaloutos | Dreamstime

Stel je staat met een paar honderd mensen te dringen op een kluitje; voor de ingang van het zwembad bijvoorbeeld. Wie zou er dan het makkelijkst een pirouette kunnen draaien? De mensen aan de rand van de kluit natuurlijk.

Met watermoleculen is dat ook zo, weten Nederlandse onderzoekers sinds kort. Als eersten ter wereld bovendien. Het is namelijk verre van eenvoudig om de beweging van moleculen te registreren.

Met ultrasnelle laserapparatuur slaagden de onderzoekers van het FOM instituut AMOLF en de Universiteit van Amsterdam er in om filmpjes van de ‘bovenste’ moleculen aan een wateroppervlak te maken. Ze namen een laagje van één molecuul dikte onder de loep en maakten daarvan steeds een reeks opnames. Het resultaat waren filmpjes van de beweging van de watermoleculen gedurende minder dan één picoseconde (0,000000000001 seconde). Daarmee is de moleculaire draaiing waar te nemen.

Snel en soepel

Uit de filmpjes blijkt dat watermoleculen aan het oppervlak meer dan drie keer sneller draaien dan water dat omgeven is door ander water. Het water-lucht oppervlak is daarmee een bijzonder grensvlak, concluderen de onderzoekers. Ze zagen ook dat de draaibeweging aan het oppervlak veel soepeler is dan dieper in het water. Daar roteren watermoleculen met onregelmatige, grote draaistappen. Watermoleculen aan het oppervlak draaien juist soepel en continu.

Watermoleculen kennen een sterke onderlinge wisselwerking via waterstofbruggen (stippellijn). Aan het wateroppervlak is sprake van één of twee waterstofbrugvormende OH-groepen. Bij watermoleculen onder het oppervlak hebben altijd beide OH-groepen een waterstofbrug.
FOM

De verklaring voor dat verschil in rotatie ligt in de waterstofbruggen, de overal aanwezige interactie tussen de zuurstof- en waterstofatomen van naburige watermoleculen. De waterstofbruggen maken dat alle watermoleculen als het ware een klein beetje aan elkaar ‘plakken’. En omdat de moleculen aan het oppervlak relatief weinig waterstofbruggen vormen, is hun beweeglijkheid groter, zoals te zien in de afbeelding hierboven.

Hoe logisch dat ook lijkt, de onderzoeksresultaten hebben ook een onverwachte kant. Uit eerder onderzoek was namelijk gebleken dat verbreking van waterstofbruggen tot langzamer roterende watermoleculen leidt. Onderzoeksleider Mischa Bonn: “Het netwerk van waterstofbruggen wordt altijd onderbroken als je iets in water stopt, en steevast zien onderzoekers dan een afname van de rotatie van watermoleculen. Of het dan om zouten gaat, organische moleculen of andere oplosmiddelen, ionische vloeistoffen, of het hydrofiel of hydrofoob is: dat maakt allemaal niet uit. De verrassing is nu dus dat het effect van de onderbreking van het waterstofbrugnetwerk aan het oppervlak juist wél tot versnelling van de watermoleculen leidt.”

Technisch hoogstandje

scitech.ac.uk

De onderzoekers volgden de rotatie van de watermoleculen aan het oppervlak met zogenaamde femtosecondelasers. Met een hele korte laserpuls zetten ze de trilling van de vrije OH-groep van de buitenste laag watermoleculen aan het oppervlak ‘aan’. Met een tweede laserpuls volgden zij de beweging van de moleculen in de tijd. De onderzoekers kunnen met deze techniek specifiek kijken naar de buitenste laag watermoleculen – de monolaag – die aan lucht grenst. Dat is een technisch hoogstandje: er zijn maar weinig andere onderzoeksgroepen in de wereld die dat ook kunnen. Groot voordeel is dat het niet nodig is om het signaal van het oppervlak te scheiden van het signaal uit de watermassa binnenin. Gecombineerd met computersimulaties kregen de onderzoekers een gedetailleerd beeld van de snelheid en het mechanisme van waterrotatie aan het oppervlak.

Inzicht in de beweging van de bovenste watermoleculen kan op allerlei wetenschapsgebieden van belang zijn. Het kan helpen te begrijpen wat er gebeurt aan het oppervlak van biologische membranen, bij de elektroden van batterijen en brandstofcellen of bij chemische reacties hoog in de atmosfeer. Wat Bonn betreft is de grote puzzel in vervolgonderzoek nu waarom het gedrag van de watermoleculen aan een klein hydrofoob oppervlak (bijvoorbeeld het hydrofobe deel van een eiwitmolecuul) zo anders is dan aan het eveneens hydrofobe maar ruimtelijk zeer uitgebreide water-lucht oppervlak.

Bronnen

  • Persbericht FOM: Water aan het oppervlak beweegt verrassend snel
  • Cho-Shuen Hsieh et. al.: Ultrafast reorientation of dangling OH groups at the air-water interface using femtosecond vibrational spectroscopy Physical Review Letters, 2011, Vol. 107.

Meer over het onderzoek naar watermoleculen op Kennislink:

Meer over water op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/water/index.atom", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 31 augustus 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink Agenda

NEMO Kennislink vertoont op deze plaats normaal gesproken wetenschappelijke activiteiten uit heel Nederland. Door de maatregelen tegen het nieuwe coronavirus zal daarvan een groot gedeelte worden afgelast. Omdat we geen achterhaalde informatie willen verspreiden, laten we voorlopig geen activiteiten zien.
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.