Een team van wetenschappers heeft nieuwe moleculaire eigenschappen van water ontdekt - een ontdekking van een fenomeen dat voorheen onopgemerkt was gebleven.

Een team van wetenschappers heeft nieuwe moleculaire eigenschappen van water ontdekt - een ontdekking van een fenomeen dat voorheen onopgemerkt was gebleven.

Vloeibaar water staat bekend als een uitstekende transporteur van zijn eigen auto-ionisatieproducten; dat is, de geladen soort die wordt verkregen wanneer een watermolecuul (H ₂ O) wordt gesplitst in protonen (H ⁺ ) en hydroxide-ionen (OH ^- ). Deze opmerkelijke eigenschap van water maakt het een cruciaal onderdeel in opkomende elektrochemische energieproductie- en opslagtechnologieën zoals brandstofcellen; inderdaad, het leven zelf zou niet mogelijk zijn als water deze eigenschap niet bezat.

Het is bekend dat water bestaat uit een ingewikkeld netwerk van zwakke, directionele interacties bekend als waterstofbruggen. Bijna een eeuw lang, men dacht dat de mechanismen waarmee water de H . transporteert ⁺ en OH ^- ionen waren spiegelbeelden van elkaar - in alle opzichten identiek, behalve de richtingen van de waterstofbruggen die bij het proces betrokken waren.

Huidige state-of-the-art theoretische modellen en computersimulaties, echter, voorspelde een fundamentele asymmetrie in deze mechanismen. Indien correct, deze asymmetrie is iets dat in verschillende toepassingen kan worden uitgebuit door een systeem aan te passen om het ene ion boven het andere te bevoordelen.

Experimenteel bewijs van de theoretische voorspelling is ongrijpbaar gebleven vanwege de moeilijkheid om de twee ionische soorten direct te observeren. Verschillende experimenten hebben slechts een glimp van de voorspelde asymmetrie opgeleverd.

Een team van wetenschappers van de New York University, onder leiding van professor Alexej Jerschow en met inbegrip van Emilia Silletta, een NYU-postdoctoraal fellow, en Mark Tuckerman, een professor in scheikunde en wiskunde aan de NYU, bedacht een nieuw experiment om deze asymmetrie te doorbreken. De experimentele benadering omvatte het afkoelen van water tot de zogenaamde temperatuur van maximale dichtheid, waar de asymmetrie zich naar verwachting het sterkst manifesteert, waardoor het zorgvuldig kan worden gedetecteerd.

Het is algemeen bekend dat ijs op water drijft en dat meren van bovenaf bevriezen. Dit komt doordat watermoleculen zich samenpakken in een structuur met een lagere dichtheid dan die van vloeibaar water - een manifestatie van de ongebruikelijke eigenschappen van water:de dichtheid van vloeibaar water neemt toe net boven het vriespunt en bereikt een maximum bij vier graden Celsius (39 graden Fahrenheit ), de zogenaamde temperatuur van maximale dichtheid; dit verschil in dichtheid dicteert dat vloeistof zich altijd onder ijs bevindt.

Door water af te koelen tot deze temperatuur, het team gebruikte nucleaire magnetische resonantiemethoden (hetzelfde type benadering is medisch in magnetische resonantiebeeldvorming) om aan te tonen dat het verschil in levensduur van de twee ionen een maximale waarde bereikt (hoe groter de levensduur, hoe langzamer het transport). Door het verschil in levens te accentueren, de asymmetrie werd overduidelijk.

Zoals eerder opgemerkt, water bestaat uit één zuurstofatoom en twee waterstofatomen, maar de waterstofatomen zijn relatief mobiel en kunnen van het ene molecuul naar het andere springen, en het is dit huppelen dat de twee ionische soorten zo mobiel maakt in water.

Bij het zoeken naar verklaringen voor de temperatuurafhankelijke kenmerken, de onderzoekers concentreerden zich op de snelheid waarmee dergelijke hop kan optreden.

Voorafgaand onderzoek had uitgewezen dat twee belangrijke geometrische rangschikkingen van waterstofbruggen (één geassocieerd met elk ion) de hop vergemakkelijken. De onderzoekers ontdekten dat een van de arrangementen leidde tot aanzienlijk langzamere hop voor OH ^- dan voor H ⁺ bij vier graden Celsius. Omdat dit ook de temperatuur van maximale dichtheid is, de onderzoekers vonden dat de twee fenomenen met elkaar verbonden moesten worden. In aanvulling, hun resultaten toonden aan dat het springgedrag van moleculen bij deze temperatuur abrupt veranderde.

"De studie van de moleculaire eigenschappen van water is van intens belang vanwege zijn centrale rol bij het mogelijk maken van fysiologische processen en zijn alomtegenwoordige aard, " zegt Jerschow, de corresponderende auteur van deze studie. "De nieuwe bevinding is behoorlijk verrassend en kan een dieper begrip van de eigenschappen van water mogelijk maken, evenals zijn rol als vloeistof in veel van de natuurverschijnselen."

Tuckerman, die een van de eerste onderzoekers was die de asymmetrie in de transportmechanismen en het verschil in de waterstofbrugarrangementen voorspelde, zegt, "Het is verheugend dat dit duidelijke experimenteel bewijs onze eerdere voorspellingen bevestigt. We zijn momenteel op zoek naar nieuwe manieren om de asymmetrie tussen H ⁺ en OH ^- transport om nieuwe materialen te ontwerpen voor schone energietoepassingen, en wetende dat we beginnen met een correct model, staat dit centraal in onze voortdurende vooruitgang."

Een groot aantal andere onderzoeken, variërend van de studie van de enzymfunctie in het lichaam tot het begrijpen hoe levende organismen kunnen gedijen in barre omstandigheden, inclusief temperaturen onder het vriespunt en zeer zure omgevingen, zal ook worden beïnvloed door de bevindingen van het team.