Chemici van de Ruhr-Universität Bochum hebben met ongekende ruimtelijke resolutie gevolgd hoe individuele watermoleculen zich hechten aan een organisch molecuul. Ze gebruikten lage-temperatuur scanning tunneling microscopie om de processen te visualiseren op een schaal kleiner dan een nanometer. Hierdoor konden ze de verschijnselen van hydrofiliciteit en hydrofobiciteit op moleculair niveau onderzoeken, d.w.z. waarom bepaalde delen van organische moleculen water aantrekken of afstoten.

"De resultaten zijn een belangrijke stap op weg naar het begrijpen van solvatatieprocessen, dat is, hoe stoffen oplossen in water, " legt Karsten Lucht van de Bochum Chair of Physical Chemistry I uit. Hij rapporteert de resultaten met het team onder leiding van Prof Dr. Karina Morgenstern en collega's van de Chair of Organic Chemistry II in het tijdschrift Angewandte Chemie . De wetenschappers werken samen in het excellentiecluster Ruhr Explores Solvation, of kortweg Resolv.

Het doel van het cluster is om te begrijpen hoe oplosmiddelen de reacties in oplossing beïnvloeden en het gebruik van oplosmiddelen om reacties te beheersen.

Stap voor stap de waterophoping volgen

Als een organisch molecuul, de onderzoekers gebruikten een azokleurstof die bestaat uit twee koolstofringen met daaraan gekoppelde functionele groepen die polair zijn, d.w.z. licht positief of negatief geladen. Ze zetten de moleculen af ​​op een gouden eenkristal en koelden het systeem af tot zes Kelvin. Vervolgens voegden ze stap voor stap individuele watermoleculen toe en observeerden waar deze zich aan de kleurstof hechtten.

De eerste watermoleculen hechtten zich bij voorkeur aan de polaire functionele groepen. Toen de onderzoekers de hoeveelheid water verhoogden, de nieuw toegevoegde moleculen hechtten zich aan de watermoleculen die al gebonden waren. "Onze experimenten laten zien dat hydrofiliciteit en hydrofobiciteit terug te voeren zijn op moleculair niveau, " zegt Karina Morgenstern. De watermoleculen vermeden niet-polaire gebieden van het molecuul, poolgebieden hadden de voorkeur.

Drie complementaire procedures

De processen die hier met scanning tunneling microscopie werden waargenomen, worden meestal spectroscopisch of met moleculair dynamische simulaties onderzocht. Echter, de eerste methode geeft geen ruimtelijke informatie, en dit laatste is gebaseerd op aannames vanwege de omvang van het systeem. "Elke methode heeft zijn waarde, " legt Karsten Lucht uit. "De drie benaderingen vullen elkaar aan."