Van regendruppels die van het wasachtige oppervlak van een waterlelieblad rollen tot de efficiëntie van ontziltingsmembranen, interacties tussen watermoleculen en waterafstotende "hydrofobe" oppervlakken zijn overal om ons heen. Het samenspel wordt nog intrigerender wanneer een dunne waterlaag tussen twee hydrofobe oppervlakken wordt ingeklemd, KAUST-onderzoekers hebben aangetoond.

In het begin van de jaren tachtig, onderzoekers merkten voor het eerst een onverwacht effect op toen twee hydrofobe oppervlakken langzaam in water werden samengebracht. "Op een gegeven moment, de twee oppervlakken zouden plotseling met elkaar in contact komen - zoals twee magneten die bij elkaar worden gebracht, ", zegt Himanshu Mishra van KAUST's Water Desalination and Reuse Center. Mishra's laboratorium onderzoekt water op alle lengteschalen, van het verminderen van het waterverbruik in de landbouw, aan de eigenschappen van individuele watermoleculen.

Onderzoekers waren niet in staat om het fenomeen op moleculair niveau te verklaren, dus anno 2016 Mishra organiseerde een KAUST-conferentie over dit onderwerp. "We brachten leiders in het veld samen - experimentalisten en theoretici - wat leidde tot intense debatten over het begrip van hydrofobe oppervlaktekrachten, " hij zegt.

Een deel van de uitdaging was dat de hydrofobe interactie uniek is voor water. "Inzichten verkrijgen via andere vloeistoffen of het toevoegen van co-oplosmiddelen aan water is niet haalbaar:de interactie wordt drastisch verminderd of gaat verloren, " legt Boeddha Shrestha uit, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Mishra.

Geïnspireerd door de conferentie, Mishra kwam op het idee om gewoon water te vergelijken met "zwaar water, " waarin de waterstofatomen worden vervangen door een zwaardere waterstofisotoop genaamd deuterium.

"Onze oppervlaktekrachtmetingen lieten zien dat de aantrekkingskracht altijd ongeveer 10 procent hoger was in H ₂ O dan in D ₂ O, " zegt Sreekiran Pillai, een doctoraat student in Mishra's lab. Samenwerken met Tod Pascal aan de Universiteit van Californië in San Diego, kwam het team met een verklaring.

Hoe kleiner een object, hoe minder strikt het wordt beheerst door de wetten van de klassieke fysica en hoe meer het onderhevig is aan kwantumeffecten. Het kleine waterstofatoom is een kwantumobject - het gedraagt ​​​​zich soms als een deeltje, soms meer als een golf. deuterium, twee keer zo zwaar als waterstof, is minder onderhevig aan kwantumeffecten. Het gevolg is dat D ₂ O is minder gedestabiliseerd dan H ₂ O wanneer ze tussen twee hydrofobe oppervlakken worden geperst en de waterstofbruggen tussen watermoleculen worden verbroken.

De ontdekking kan praktische implicaties hebben, zegt Misra. "Bijvoorbeeld, deze bevindingen kunnen helpen bij de ontwikkeling van nanofluïdische platforms voor moleculaire scheiding."

"Dit is zeer indrukwekkend werk dat laat zien hoe kwantumnucleaire effecten in water substantieel worden op nanoschaal, " legt professor Mischa Bonn uit, directeur van het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek. "De resultaten illustreren dat er op fundamenteel niveau nog veel te leren is over water, maar met directe relevantie voor op nanoschaal beperkt water in, bijvoorbeeld, nanoporiën gebruikt voor waterzuivering en ontzilting."