Dit is een artikel uit het NRC-archief

Milieu en natuur

Ontstaan en verdwijning van molecuul-dunne waterfilms

Materiaalonderzoekers van het Lawrence Berkeley Laboratory (VS) zijn er in geslaagd het ontstaan van molecuul-dunne waterfilms live waar te nemen. Zij maakten gebruik van een zogeheten atomic force microscope (AFM): een extreem scherpe naald waarmee razendsnel een oppervlak wordt afgetast. Normaliter beweegt zo'n naaldje daadwerkelijk over het oppervlak, maar dat moet dan wel vast zijn. Om het oppervlak van water te kunnen aftasten werd er een elektrische spanning op de naald gezet en werden de polarisatiekrachten tussen het oppervlak en de er vlak boven bewegende naald gemeten.

De vorming van dunne waterfilms is een belangrijk proces in de fysica, chemie en biologie. Zulke films veranderen de adhesie- (aantrekkings-) en smeringseigenschappen van het oppervlak en de mate waarin atomen in dat oppervlak reageren met omringende gasmoleculen. En in biologische processen zijn waterfilms van belang voor het ionentransport. De Berkeley-onderzoekers hebben nu de condensatie en verdamping van water op een ondergrond van mica bestudeerd. Die processen vonden plaats in een ruimte waarin het vochtgehalte van de lucht naar believen kon worden veranderd.

De condensatie van waterdamp blijkt - bij stijgend vochtgehalte - in twee fasen te verlopen. Eerst ontstaan er op het mica-oppervlak overal clusters van watermoleculen met een diameter tussen 10 nanometer (kleinste waarneembare details) en een paar honderd nanometer. Hun aantal neemt toe totdat zij, bij een vochtgehalte van ongeveer 25 procent, het gehele oppervlak bedekken. Bij verdere stijging van het vochtgehalte ontstaan er in dit uniforme laagje micrometer-grote 'eilanden', waarvan de diameter en het aantal blijft toenemen totdat zij bij een vochtgehalte van ongeveer 45 procent het gehele oppervlak bestrijken. Deze domeinen hebben een hoogte van ongeveer 0,2 nanometer, hetgeen betekent dat het waterlaagje één of twee moleculen dik is (Science 268, p. 267).

Laat men vervolgens het vochtgehalte afnemen, dan kan op dezelfde manier het proces van verdamping worden waargenomen. Dat vindt plaats doordat er 'gaten' in de eilandjes ontstaan, maar tijdens dit loslaten van watermoleculen blijken er ook nog steeds nieuwe domeinen te ontstaan. De onderzoekers zagen als het ware de strijd tussen het desorptie- en adsorptieproces. Bij het verder teruglopen van het vochtgehalte kreeg het eerste proces uiteindelijk de overhand, zodat bij een vochtgehalte van 21 procent alle vloeistof was verdwenen.

Het opmerkelijke is dat de eilandjes iets onder het niveau van het omringende waterlaagje liggen en vaak rechte randen hebben die hoeken van 60ß8 en 120ß8 met elkaar maken. De oorzaak hiervan kwam aan het licht toen men de microscoopnaald liet zakken tot in het waterlaagje. Dit werd toen verstoord (als gevolg van capillaire krachten), waardoor het water-beeld verdween en de structuur van het onderliggende mica zichtbaar werd. Het blijkt dat de randen van de water-domeinen vaak samenvallen met die van de micakristallen. Dit zou kunnen betekenen dat ook het molecuul-dunne waterlaagje een kristallijne structuur heeft, misschien - zoals sommige onderzoekers al hadden voorspeld - die van een heel dun ijslaagje.