Ijsvormen hangen af van ordening van waterstofbruggen

Water is de gewoonste maar ook de raadselachtigste vloeistof ter wereld. Theoretisch fysici mogen inzicht hebben in de elementaire bouwstenen van materie, eigenlijk begrijpen ze niet waarom er überhaupt zoiets als vloeibaar water bestaat.

Maar ook in vaste vorm heeft het allerlei rare eigenschappen. IJs is lichter dan water en komt, afhankelijk van druk en temperatuur, in niet minder dan elf verschillende structuren voor. Langzamerhand is wel steeds duidelijker geworden dat waterstofbruggen een belangrijke rol spelen. Omdat het zuurstofatoom veel harder aan de gemeenschappelijke elektronen trekt dan elk van de waterstofatomen, krijgt het een kleine negatieve lading, terwijl het waterstof positief wordt. Daardoor trekken watermoleculen elkaar aan - via een 'waterstofbrug' - en vormen uitgebreide netwerken.

In de Science van deze week (13 juni) publiceren Amerikaanse chemici de resultaten van experimenten waarmee zij weer een klein stukje van de ijs-puzzel hebben weten op te lossen. Zij deden metingen aan een zogenaamde moleculaire bundel van een gasvormig mengsel van benzeen en water. Dit werd daartoe eerst - samen met een draaggas - onder hoge druk gebracht, waarna alles via een minuscuul gaatje mocht ontsnappen. Net als koolzuurgas uit een brandblusser, koelt het mengsel daarbij sterk af, tot minder dan een graad boven het absolute nulpunt. Bovendien zoeken de moleculen elkaar te midden van het draaggas op, zodat clusters worden gevormd. Met behulp van een massaspectrometer werden de clusters met acht watermoleculen en één benzeenmolecuul geselecteerd. Door deze tegelijkertijd met infrarode en ultraviolette laserpulsen te beschieten, konden ze ook worden gekarakteriseerd.

Het was met name een sterke trilling van de binding tussen een zuurstof- en een waterstofatoom die specifieke informatie gaf over de opbouw van de cluster. Zo werd duidelijk dat de acht watermoleculen op twee verschillende manieren een moleculair ijsblokje kunnen vormen. Allebei kubusvormig, onderscheiden ze zich door de rangschikking van de waterstofbruggen. En dat is in feite de eerste experimentele aanwijzing dat ook de elf tot nu toe gevonden structuren van ijs wel eens uitsluitend van elkaar zouden kunnen verschillen wat betreft de ordening van deze waterstofbruggen.