Hoe twee watermoleculen samen dansen

Geplaatst op 13 augustus 2019 om 13:10 uur
Hoe twee watermoleculen samen dansen
Water is de belangrijkste oplossing in scheikunde en biologie en heeft een aantal bijzondere eigenschappen, zoals dat het zijn hoogste dichtheid bereikt bij 4 graden Celsius. Dat komt door de interacties tussen de moleculen – waar we nog niet veel van begrijpen. Nu zijn onderzoekers er echter in geslaagd om de intermoleculaire vibraties voor het eerst volledig te bestuderen. De ‘belemmerde draaiing’ blijkt cruciaal.

Het internationale onderzoeksteam bekeek de interacties met de laser van extreme hoge resolutie van de Radboud Universiteit. De bevindingen zijn gepubliceerd in Angewandte Chemie.


Het team onderzocht de meest simpele interactie, namelijk die tussen twee individuele watermoleculen, met behulp van terahertz spectroscopie. Als je korte pulsen van straling in het terahertzbereik door het monster stuurt, wordt een deel van de straling opgenomen. Het opnamepatroon geeft informatie over de interacties waarbij moleculen elkaar aantrekken. Dit moet bij extreem lage temperaturen, omdat de verbinding bij kamertemperatuur niet stabiel is. Hiertoe stopten de onderzoekers individuele watermoleculen in een kleine druppel helium met een temperatuur van 0,4 Kelvin (-272,75 graden Celsius). De druppels zijn te vergelijken met een stofzuiger die de individuele watermoleculen opzuigen.


Zo konden de onderzoekers het spectrum van de belemmerde draaiingen voor het eerst waarnemen. "Watermoleculen zijn steeds in beweging", zegt Martina Havenith, hoogleraar aan de Ruhr-Universität Bochum. "Ze roteren en gaan open en dicht. Maar als een watermolecuul dicht in de buurt komt van een ander watermolecuul, kan het zich niet meer vrij bewegen. Dat wordt ‘belemmerde draaiing' genoemd."

 

Een multidimensionele energiekaart

De interactie tussen watermoleculen kun je weergeven in de vorm van de elektrische potentiaal van water. "Dit is een multidimensionele kaart die laat zien hoe de energie van watermoleculen verandert wanneer de afstanden en hoeken tussen de moleculen veranderen. Alle eigenschappen, waaronder dichtheid, geleidingsvermogen of verdampingstemperatuur, kunnen worden afgeleid van deze potentiaal. Onze metingen maken het nu mogelijk om de best mogelijke test van alle potentialen te ontwikkelen."

 
© Engineersonline.nl