Watermoleculen bestaan ​​in twee verschillende vormen met bijna identieke fysieke eigenschappen. Voor de eerste keer, onderzoekers zijn erin geslaagd de twee vormen van elkaar te scheiden om aan te tonen dat ze verschillende chemische reactiviteiten kunnen vertonen. Deze resultaten werden gerapporteerd door onderzoekers van de Universiteit van Basel en hun collega's in Hamburg in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Vanuit een chemisch perspectief, water is een molecuul waarin een enkel zuurstofatoom is gekoppeld aan twee waterstofatomen. Het is minder bekend dat water op moleculair niveau in twee verschillende vormen (isomeren) voorkomt. Het verschil zit in de relatieve oriëntatie van de kernspins van de twee waterstofatomen. Afhankelijk van of de spins in dezelfde of tegengestelde richting zijn uitgelijnd, men verwijst naar ortho- of para-water.

Experimenten met gesorteerde watermoleculen

De onderzoeksgroep onder leiding van professor Stefan Willitsch van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Basel heeft onderzocht hoe de twee vormen van water verschillen in hun chemische reactiviteit:hun vermogen om een ​​chemische reactie te ondergaan. Beide isomeren hebben bijna identieke fysische eigenschappen, wat hun scheiding bijzonder uitdagend maakt.

Deze scheiding werd mogelijk gemaakt door een methode op basis van elektrische velden die is ontwikkeld door professor Jochen Küpper van het Hamburg Center for Free-Electron Laser Science. Met behulp van deze aanpak, de onderzoekers waren in staat om gecontroleerde reacties op gang te brengen tussen de "voorgesorteerde" waterisomeren en ultrakoude diazenyliumionen ("geprotoneerde stikstof") die in een val werden gehouden. Tijdens dit proces, een diazenyliumion draagt ​​zijn proton over aan een watermolecuul. Deze reactie wordt ook waargenomen in de chemie van de interstellaire ruimte.

Verhoogde reactiviteit

Er werd aangetoond dat para-water ongeveer 25 procent sneller reageert dan ortho-water. Dit effect kan worden verklaard in termen van de kernspin die ook de rotatie van de watermoleculen beïnvloedt. Als resultaat, tussen de reactiepartners werken verschillende aantrekkingskrachten. Para-water kan zijn reactiepartner sterker aantrekken dan de orthovorm, wat leidt tot een verhoogde chemische reactiviteit. Computersimulaties bevestigden deze experimentele bevindingen.

In hun experimenten, de onderzoekers werkten met moleculen bij zeer lage temperaturen dichtbij het absolute nulpunt (ongeveer -273°C). Dit zijn ideale omstandigheden om individuele kwantumtoestanden nauwkeurig voor te bereiden en de energie-inhoud van de moleculen te bepalen, en om een ​​gecontroleerde reactie tussen hen te veroorzaken. Willitsch legt de experimentele benadering uit:"Hoe beter men de toestanden van de moleculen die bij een chemische reactie betrokken zijn, kan controleren, hoe beter de onderliggende mechanismen en dynamiek van een reactie kunnen worden onderzocht en begrepen."