De inbedding van hydrofobe moleculen in water ziet er heel anders uit dan eerder werd aangenomen. In water, hydrofobe moleculen zijn omgeven door twee verschillende waterpopulaties:de binnenste schil vormt een tweedimensionaal netwerk van watermoleculen. De volgende laag wordt gevormd door een tweede waterpopulatie die bijna bulkachtig is, maar iets sterkere waterstofbindingen vormt met het bulkwater. De veronderstelling tot nu toe was dat tetraëdrische, "ijsachtig" water domineert in de binnenste hydratatieschil van hydrofobe moleculen. Het tegenovergestelde is het geval. Deze nieuwe bevindingen werden gepubliceerd door het team onder leiding van professor Martina Havenith, leerstoel Fysische Chemie II aan de Ruhr-Universität Bochum (RUB) in the Journal of Physical Chemistry Letters op 18 juni 2020.

Inzichten door THz-spectroscopie en simulaties

In hun studie hebben de onderzoekers onderzochten het netwerk van waterstofbruggen rond de hydrofobe gesolvateerde alcohol tert-butanol, aangezien onderzoekers alcoholen gebruiken als prototypemodellen voor hydrofobe moleculen. Het team combineerde resultaten van terahertz (THz) spectroscopie en simulaties.

Bij THz-spectroscopie, onderzoekers meten de absorptie van THz-straling in een monster. Het absorptiespectrum geeft een vingerafdruk van het waternetwerk.

Ze kregen een gedetailleerd beeld van de waterlagen die het molecuul omringen. "We noemen de binnenste laag HB-wrap, waarbij HB staat voor water-waterstofbinding, " legt Martina Havenith uit. De toplaag heet HB-hydration2bulk, zoals het de interface naar het bulkwater beschrijft. gecombineerd, beide lagen van de coating zijn soms niet dikker dan een enkele laag watermoleculen. "Zo nu en dan, een enkel watermolecuul kan deel uitmaken van beide lagen."

Binnenlaag is langer stabiel

Wanneer de temperatuur wordt verhoogd, de buitenste laag smelt eerst, en de HP-wrap laag blijft langer intact. "De binnenste laag heeft ook minder vrijheid om verschillende configuraties te vormen vanwege de hydrofobiciteit van de opgeloste stof, ", zegt Havenith. "Omdat individuele watermoleculen zich altijd van de alcohol moeten afkeren, ze vormen een tweedimensionale, los netwerk." Watermoleculen in de buitenste laag hebben meer bewegingsvrijheid en dus ook meer mogelijkheden om verbinding te maken met andere watermoleculen; onderzoekers noemen dit fenomeen grotere entropie.

Dit type interactie is relevant voor de vouwprocessen van eiwitten en voor biomoleculaire herkenning tussen een medicijn en zijn doelmolecuul. Het begrijpen van de rol van water speelt een cruciale rol in het proces.