Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van professor Martina Havenith van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) heeft nieuw licht kunnen werpen op de eigenschappen van water op moleculair niveau. Vooral, ze waren in staat om de interacties tussen drie watermoleculen nauwkeurig te beschrijven, die een belangrijke bijdrage leveren aan het energielandschap van water. Het onderzoek zou de weg kunnen banen om het watergedrag onder verschillende omstandigheden beter te begrijpen en te voorspellen. zelfs onder extreme. De resultaten zijn online gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie op 19 april 2020.

Interacties via trillingen

Ondanks dat water er op het eerste gezicht uitziet als een simpele vloeistof, het heeft veel ongewone eigenschappen, een daarvan is dat het minder dicht is wanneer het bevroren is dan wanneer het vloeibaar is. Op de eenvoudigste manier worden vloeistoffen beschreven door de interactie van hun directe partners, die meestal voldoende zijn voor een goede beschrijving, maar niet in het geval van water:de interacties in waterdimeren zijn goed voor 75 procent van de energie die water bij elkaar houdt. Martina Havenith, hoofd van de in Bochum gevestigde leerstoel Fysische Chemie II en woordvoerder van het Ruhr Explores Solvation (Resolv) Cluster of Excellence, en haar collega's van de Emory University in Atlanta, ONS, publiceerde onlangs een nauwkeurige beschrijving van de interacties met betrekking tot het waterdimeer. Om toegang te krijgen tot de coöperatieve interacties, die 25 procent uitmaken van de totale waterinteractie, de watertrimeer moest worden onderzocht.

Nutsvoorzieningen, het team onder leiding van Martina Havenith in samenwerking met collega's van Emory University en van de University of Mississipi, ONS, heeft voor het eerst op een nauwkeurige manier de interactie-energie tussen drie watermoleculen kunnen beschrijven. Ze toetsten moderne theoretische beschrijvingen aan het resultaat van de spectroscopische vingerafdruk van deze intermoleculaire interacties.

Obstakels voor experimenteel onderzoek

Al meer dan 40 jaar, wetenschappers hebben computermodellen en simulaties ontwikkeld om de energieën te beschrijven die betrokken zijn bij het watertrimeer. Experimenten zijn minder succesvol geweest, ondanks enkele baanbrekende inzichten in gasfasestudies, en ze vertrouwen op spectroscopie. De techniek werkt door een watermonster te bestralen met straling en te registreren hoeveel licht er is geabsorbeerd. Het verkregen patroon houdt verband met de verschillende soorten excitaties van intermoleculaire bewegingen waarbij meer dan één watermolecule is betrokken. Helaas, om deze spectroscopische vingerafdrukken voor waterdimeren en trimeren te verkrijgen, men moet bestralen in het terahertz frequentiegebied. En laserbronnen die een hoog vermogen leveren, ontbraken voor dat frequentiegebied.

Deze technische leemte is pas recentelijk opgevuld. In de huidige publicatie de RUB-wetenschappers gebruikten de vrije elektronenlasers aan de Radboud Universiteit in Nijmegen in Nederland, wat zorgt voor hoge vermogens in het terahertz-frequentiegebied. De laser werd aangebracht door kleine druppeltjes supervloeibaar helium, die bij extreem lage temperaturen wordt afgekoeld, naar min 272, 75 graden Celsius. Deze druppeltjes kunnen één voor één watermoleculen verzamelen, waardoor kleine aggregaten van dimeren en trimeren kunnen worden geïsoleerd. Op deze manier konden de wetenschappers precies de moleculen bestralen die ze wilden en het eerste uitgebreide spectrum van het watertrimeer in het terahertz-frequentiegebied verwerven.

De experimentele waarnemingen van de intermoleculaire trillingen werden vergeleken met en geïnterpreteerd met behulp van kwantumberekeningen op hoog niveau. Op deze manier konden de wetenschappers het spectrum analyseren en tot zes verschillende intermoleculaire trillingen toewijzen.