Een internationaal onderzoeksteam heeft nieuwe inzichten gekregen in de interactie van watermoleculen. Een laser met een bijzonder hoge helderheid, zoals beschikbaar in het FELIX laboratorium van de Radboud Universiteit, was nodig voor de experimenten. Hun bevindingen helpen om de vreemde eigenschappen van water beter te begrijpen en zijn gepubliceerd in Angewandte Chemie .

Hoewel water alomtegenwoordig is, de interactie tussen individuele watermoleculen is nog niet volledig begrepen. Voor de eerste keer, de onderzoekers konden alle bewegingen tussen de watermoleculen volledig observeren, zogenaamde intermoleculaire trillingen. Een bepaalde beweging van individuele watermoleculen tegen elkaar, gehinderde rotaties genoemd, is bijzonder belangrijk.

Onbekende interacties

Water is het belangrijkste oplosmiddel in de scheikunde en biologie en heeft een reeks vreemde eigenschappen, bijvoorbeeld het bereikt zijn hoogste dichtheid bij vier graden Celsius. Dit komt door de speciale interacties tussen de watermoleculen. "Het beschrijven van deze interacties vormt al tientallen jaren een uitdaging voor onderzoek, ", zegt Martina Havenith van de Ruhr-Universität Bochum.

Experimenten bij extreem lage temperaturen

Het team onderzocht de eenvoudigst denkbare interactie, namelijk tussen precies twee individuele watermoleculen, met behulp van terahertz-spectroscopie. De onderzoekers sturen korte stralingspulsen in het terahertz-bereik door het monster, die een deel van de straling absorbeert. Het absorptiepatroon onthult informatie over de aantrekkelijke interacties tussen de moleculen. Een laser met een bijzonder hoge helderheid, zoals beschikbaar in het laboratorium FELIX van de Radboud Universiteit, was nodig voor de experimenten.

De onderzoekers analyseerden de watermoleculen bij extreem lage temperaturen. Om dit te doen, ze sloegen achtereenvolgens individuele watermoleculen op in een klein druppeltje supervloeibaar helium, wat zo koud is als 0,4 Kelvin (of -272,75 graden Celsius). De druppeltjes werken als een stofzuiger die individuele watermoleculen opvangt. Door de lage temperatuur, er ontstaat een stabiele binding tussen twee watermoleculen, die niet stabiel zou zijn bij kamertemperatuur.

Met deze experimentele opstelling kon de groep voor het eerst een spectrum van de gehinderde rotaties van twee watermoleculen opnemen. "Watermoleculen zijn constant in beweging, " legt Martina Havenith uit. "Ze draaien, openen en sluiten." Maar een watermolecuul met een tweede watermolecuul in de buurt kan niet vrij roteren - daarom wordt het een gehinderde rotatie genoemd.

Een multidimensionale energiekaart

De interactie van de watermoleculen kan ook worden weergegeven in de vorm van wat bekend staat als waterpotentiaal. "Dit is een soort multidimensionale kaart die aangeeft hoe de energie van de watermoleculen verandert wanneer de afstanden of hoeken tussen de moleculen veranderen, " legt Martina Havenith uit. Alle eigendommen, zoals dichtheid, geleidbaarheid of verdampingstemperatuur, kan worden afgeleid uit de waterpotentiaal. "Onze metingen maken nu de best mogelijke test mogelijk van alle mogelijkheden die tot nu toe zijn ontwikkeld, ", zegt de onderzoeker.