Zes watermoleculen vormen vluchtige 'kooi' met flipperende bruggen

Water is - het wordt al jarenlang gezegd - de meest gewone, maar in fysisch opzicht tevens minst begrepen vloeistof op aarde. Watermoleculen zijn opgebouwd uit 'driehoeken' van telkens twee waterstofatomen en één zuurstofatoom, maar van de krachten die watermoleculen onderling verbinden weet men nog weinig.

Dat het vooral om waterstofbindingen (of bruggen) gaat die ongeveer twintig maal minder sterk zijn dan de bindingen tussen de atomen in de moleculen, is bekend. Maar omdat de bruggen constant worden verbroken en hersteld - 500 miljard maal per seconde - is het voor fysici moeilijk te achterhalen wat er nu precies gebeurt.

Uit onderzoek aan kleine clusters van watermoleculen is gedurende de afgelopen jaren duidelijk geworden dat er in het hyper-dynamische netwerk van waterstofbindingen snel voorbijgaande structuren van drie, vier en vijf moleculen voorkomen. Ook tijdelijke combinaties van zes watermoleculen zouden kunnen bestaan, zo bleek uit recente berekeningen aan de nulpuntsenergie van waterstofmoleculen. De vraag was echter wat de juiste vorm van zo'n hexameer zou zijn. De berekeningen gaven vijf mogelijkheden, die naar hun ruwe vorm prisma-, kooi-, boek-, boot- en ringvorm werden genoemd.

De kooivorm zou volgens de energieberekeningen de beste papieren hebben en naar die vorm is een groep van Britse en Amerikaanse fysisch-chemici op zoek gegaan. Zij bestudeerden kleine clusters van watermoleculen via laser-spectroscopie: de clusters werden bestookt met extreem korte pulsen laserstraling. De reactie - een spectrum van draaiingen en trillingen - werd met een andere laser geregistreerd (Nature, 6 juni). Dat spectrum komt volgens de onderzoekers het beste overeen met dat van de via computersimulaties berekende kooivorm. De meest stabiele vorm van (HO) lijkt een kooi-achtige structuur te zijn waarin zes watermoleculen bijeen worden gehouden door acht 'bruggen'. De hoge nulpuntsenergie van deze bruggen is cruciaal bij het tot stand brengen van deze vluchtige vereniging van zes moleculen. Het gemakkelijke 'flipperen' van de twee vrije bruggen aan de uiteinden van de kooi is een verschijnsel dat ook is waargenomen bij de structuren die uit drie, vier en vijf watermoleculen bestaan.

    • George Beekman