Een team van de TU Wien heeft nu het bewijs achter de speculaties dat watermoleculen complexe brugachtige structuren kunnen vormen wanneer ze zich ophopen op minerale oppervlakken.

Water is een uiterst complexe vloeistof. De manier waarop afzonderlijke watermoleculen zich ophopen op verschillende materialen heeft een cruciale impact op heel veel processen, inclusief corrosie en verwering, en is essentieel om ervoor te zorgen dat katalysatoren optimaal functioneren. Een team van de TU Wien is er nu in geslaagd om het mysterie achter de structuur van watermoleculen op ijzeroxide-oppervlakken te ontrafelen. en hun werk heeft onthuld dat watermoleculen complexe structuren kunnen vormen die doen denken aan bruggen, die een belangrijke rol spelen als het gaat om chemische reacties op het oppervlak.

De bijzondere eigenschappen van water

"Wat watermoleculen uniek maakt, is dat ze waterstofbruggen kunnen vormen, " legt prof. Gareth Parkinson van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de TU Wien uit. "De elektrische ladingsverdeling is niet gelijkmatig. Het zuurstofatoom is licht negatief geladen, terwijl de waterstofatomen licht positief geladen zijn." Er kunnen zich bindingen vormen tussen watermoleculen – de bekende waterstofbrugbindingen – of zelfs tussen een watermolecuul en andere soorten moleculen.

De gevolgen hiervan zijn verstrekkend. Bijvoorbeeld, waterstofbruggen zijn de reden dat water de hoge temperatuur van 100°C moet bereiken voordat het kookt. Ze zijn ook een sleutelfactor in de structuur van eiwitten.

Deze banden komen zelfs keer op keer in het spel voor volledig onwetenschappelijke beweringen, zoals mensen beweren dat ze toestaan ​​dat mysterieuze 'informatie' in water wordt opgeslagen. Dit is fysiek onmogelijk omdat waterstofbruggen helemaal niet erg sterk zijn en in een fractie van een seconde weer afgebroken worden in vloeibaar water. Hoe dan ook, je kunt heel verschillende resultaten zien wanneer watermoleculen zich ophopen op oppervlakken, waar ongelooflijk complex, stabiele structuren ontstaan ​​bij lage temperaturen.

De rijken van mogelijkheden

"Er waren al indirecte aanwijzingen voor dit soort structuurvorming, ", zegt Ulrike Diebold (TU Wien). "Maar om de structuur van water echt zichtbaar te maken op ijzeroxide-oppervlakken, we moesten de allerbeste state-of-the-art meettechnieken verder optimaliseren en echt de grenzen verleggen van wat mogelijk is."

Om te beginnen met, een straal watermoleculen wordt in een vacuüm bij lage temperatuur op het oppervlak gestraald. Het oppervlak wordt vervolgens voorzichtig verwarmd tot een temperatuur van ongeveer -30°C, waardoor de waterstructuren geleidelijk worden afgebroken. De watermoleculen komen één voor één los van het oppervlak en worden opgevangen door een detector. "We kunnen precies meten hoeveel watermoleculen het oppervlak verlaten bij een bepaalde temperatuur. Met deze informatie kunnen we de bindingsenergie berekenen, wat ons op zijn beurt in staat stelt om het type molecuulstructuren te identificeren waarmee we te maken hebben, ", legt Gareth Parkinson uit.

Tegelijkertijd, een speciaal trillingsbestendig, high-performance microscoop werd gebruikt om afbeeldingen met hoge resolutie van het oppervlak te produceren, zodat de waterstructuren ook echt te zien waren. Naast dit, geavanceerde computersimulaties werden ontwikkeld als een manier om de geometrische positionering van de watermoleculen op kwantumniveau te verklaren. "Eindelijk hebben we drie tools tot onze beschikking waarmee we de waterstructuren kunnen bestuderen, en dat is wat je nodig hebt als je betrouwbare resultaten wilt krijgen, ", zegt Gareth Parkinson. "Alle drie de analyses komen perfect overeen, waardoor we met groot vertrouwen kunnen concluderen dat we nu de vorming van waterstructuren op ijzeroxide-oppervlakken begrijpen."

Het bewijs toont aan dat er verschillende structuren worden gevormd:het is zeldzaam dat een enkel watermolecuul alleen op het oppervlak zit, met watermoleculen die zich in plaats daarvan in paren of groepen van drie verzamelen. Dan heb je complexere structuren bestaande uit zes of acht moleculen, die het oppervlak van het ijzeroxide overspannen als elliptisch gebogen bruggen.

"Ons primaire doel was om de analytische methoden zo te ontwikkelen dat we onweerlegbaar bewijs van deze moleculaire structuren konden verkrijgen. En dat is wat we deden, ", zegt Ulrike Diebold. "De methode die we hier voor ijzeroxide gebruikten, kan ook op andere materialen worden toegepast."