Snel water

Een watermolecuul in trilling geeft zijn energie razendsnel door aan zijn buurman. Dat blijkt uit laserpuls-experimenten van Amsterdamse natuurkundigen. Hun resultaten verschenen deze week in Nature.

AMSTERDAMSE natuurkundigen zijn er in geslaagd om wat meer inzicht te krijgen in de mysteries rond de meest raadselachtige vloeistof ter wereld: water. Het is niet de eerste keer dat Sander Woutersen en Huib Bakker, beide verbonden aan het FOM-Instituut voor Atoom en Molecuulfysica (AMOLF), `scoren' met hun onderzoek: zij publiceren niet alleen regelmatig in een belangrijk vaktijdschrift als Physical Review Letters, maar deden dat twee jaar geleden ook in Science, en nu weer in Nature (2 dec). Steeds hebben ze daarvoor gebruik gemaakt van dezelfde opstelling, een laser waarmee ultrakorte lichtflitsen kunnen worden gegenereerd. Bakker: ``Daarmee kunnen we naar water kijken op een manier die tot voor kort nog niet mogelijk was. Met de infrarode laserpulsen die maar een paar honderd femtoseconden (een femtoseconde is een miljoenste van een miljoenste van een seconde) duren, kunnen we de bindingen in een watermolecuul aan het trillen brengen.'' Er gebeurt dan tegelijkertijd van alles in de nabije omgeving, doordat de moleculen in een waterdruppel elkaar stevig vasthouden. Wie de uitzonderlijke eigenschappen van water wil verklaren, zal zich daarom moeten verdiepen in de manier waarop het waternetwerk in elkaar zit en hoe de interacties tussen de moleculen veranderen.

Een watermolecuul bestaat uit één zuurstofatoom geflankeerd door twee waterstofatomen. Net als in elk ander molecuul delen de atomen een aantal elektronen. Binnen een watermolecuul trekt het zuurstofatoom daar verreweg het hardste aan. Daardoor wordt het enigszins negatief, en krijgen de waterstofatomen een kleine positieve lading met zich mee. Er kan zo heel makkelijk een binding gevormd worden tussen een zuurstofatoom in het ene watermolecuul en een waterstofatoom in een ander. Dergelijke bindingen, die veel zwakker zijn dan de `chemische' binding, worden waterstofbruggen genoemd. Zij zijn het die water zijn unieke karakter verlenen. Waterstofbruggen zijn sterk genoeg om een binding te vormen, maar ook weer niet zo sterk dat ze niet makkelijk kunnen worden verbroken. Water is dan ook een heel dynamische vloeistof, waarin de moleculen in steeds wisselende samenstellingen en netwerken te vinden zijn.

Woutersen en Bakker proberen met behulp van infrarode lichtpulsen meer inzicht te krijgen in de dynamiek van die waternetwerken. Daarvoor gebruiken ze water dat voor het grootste gedeelte bestaan uit zwaar water (D2O). Beide waterstofatomen zijn daarin vervangen door deuterium, dat dezelfde chemische eigenschappen heeft als gewoon waterstof, maar twee keer zo zwaar is. Dat heeft bijvoorbeeld tot gevolg dat O-D-bindingen trillen met een lagere frequentie waardoor ze `ongevoelig' worden voor het laserlicht. In dit water werden in verschillende concentraties watermoleculen opgelost met maar één deuteriumatoom (HDO). Die beschikken dus nog over één OH-binding die door de laser aangeslagen kan worden. Op verschillende tijdstippen na de eerste laserpuls werd met behulp van een tweede puls gekeken wat er met de trillingsenergie gebeurt. Dat is op zich al een ingewikkeld experiment, maar er deed zich nog een onverwacht probleem voor. Om de watertrillingen goed te kunnen volgen moest het monster heel dun zijn, niet meer dan een duizendste millimeter. Wanneer je daar voortdurend met een laser op zou gaan schieten, zou het geheel sterk opwarmen, waardoor de metingen worden beïnvloed. Daarom ontwikkelde technicus Hinco Schoenmaker een constructie die de monsterhouder als de naald in een naaimachine snel op en neer laat bewegen. Zo wordt steeds een ander gebiedje beschoten, waardoor opwarming geen probleem meer was.

WATERSTOFBRUGGEN

In eerdere experimenten lieten de FOM-onderzoekers al zien dat de trillingsenergie van de OH-binding zeer snel wordt verdeeld over andere trillingen in water, met name die van de waterstofbruggen (Physical Review Letters, 15 aug 1998, en Science, 5 mrt 1999). Die bleken zwakker te worden naarmate de temperatuur toeneemt – en zeker bij de overgang van ijs naar water. De nu gepubliceerde serie experimenten toont aan dat de OH-binding zijn trillingsenergie ook razendsnel aan een OH-binding van een naburig watermolecuul kan doorgeven. Dat werd duidelijk door systematisch de concentratie aan HDO te verhogen. Hoe dichter de HDO-moleculen bij elkaar in de buurt komen te zitten, des te sneller de energie wordt overgedragen. Dit proces is zelfs veel sneller dan de energieoverdracht aan de waterstofbruggen. Bakker: ``De trillingsenergie springt over de OH-groepen van vele watermoleculen voordat de energie uit deze trilling verdwijnt.'' De metingen konden goed verklaard worden met een in de jaren zestig ontwikkeld theoretisch model. Bakker: ``De laserpuls brengt de OH-binding aan het trillen met een karakteristieke frequentie. Deze trilling genereert een elektrisch veld dat de trilling in een naburig watermolecuul aandrijft.''

De grote verrassing kwam echter toen datzelfde model werd toegepast op zuiver water. De energieoverdracht bleek vele malen sneller te geschieden dan op grond van de eerste serie experimenten mocht worden verwacht. Blijkbaar spelen andere, tot nu toe onbekende mechanismen hierbij een rol. Wat de metingen overduidelijk aantonen is dat water een belangrijke rol kan spelen bij het doorgeven van energie tussen verschillende (bio)moleculen. Ook die beschikken namelijk over OH-groepen. Dit onderzoek onderstreept dus nog eens dat – zoals Nature eens schreef – het water in ons lichaam fungeert als `de grote bemiddelaar van de biochemie'.