MODELBEREKENING VAN DRIE WATERMOLECULEN KLOPT MET DE PRAKTIJK

Scheikundigen van de universiteit van Nijmegen hebben met computerberekeningen aan drie watermoleculen kunnen voorspellen welke trillingen en draaiingen de zuurstof- en waterstofatomen en hun onderlinge bindingen in zo'n `moleculair druppeltje' uitvoeren. De voorspellingen bleken prachtig overeen te komen met de resultaten van nauwkeurige infraroodspectroscopie uitgevoerd door Amerikaanse collega's van de University of Berkeley (Physical Review Letters, 1 mei).

Waarom water vloeibaar is, zal nog wel even een raadsel blijven, maar het is voor het eerst dat er zo'n overtuigende experimentele bevestiging van computersimulaties kon worden verkregen. Al meer dan dertig jaar worden de meest geavanceerde computers ingeschakeld om water door te rekenen. Honderden simulaties hebben echter nog geen verklaring kunnen bieden voor de vreemde eigenschappen van water. Volgens Ad van der Avoird, de leider van het Nijmeegse onderzoek, blijkt daaruit dat de wisselwerking tussen de moleculen eigenlijk nog onvoldoende bekend is. Dan kun je maar één ding doen, en dat is het probleem zo veel mogelijk vereenvoudigen. Daarom besloot hij te gaan rekenen aan de interacties tussen maximaal drie watermoleculen.

Water is een heel dynamische vloeistof: de moleculen staan heftig te trillen, terwijl de onderlinge bindingen – de zogenaamde waterstofbruggen – voortdurend worden verbroken om elders weer te worden gevormd. Daarbij spelen allerlei quantummechanische processen een belangrijke rol. Het is dan ook volstrekt onvoldoende om de atomen als bolletjes voor te stellen en vervolgens de krachten daartussen uit te rekenen. Om water op de juiste manier in rekening te kunnen brengen, zijn fundamentele quantumchemische berekeningen nodig. Die zijn ingewikkeld en kosten veel rekentijd. In Nijmegen bestaat echter veel expertise op dit gebied, zodat het krachtenveld in de cluster kon worden berekend. Toen was het zaak om de uitkomsten te toetsen. Daartoe werd een beroep gedaan op de groep van Richard Saykally, waar met behulp van gecompliceerde lasertechnieken infrarood spectra kunnen worden opgenomen van waterclusters. De belangrijkste pieken in die spectra werden door de Nijmegenaren keurig voorspeld, hetgeen veel vertrouwen biedt ten aanzien van de juistheid van het model. Inmiddels is er bovendien al weer voortgebouwd op deze eerste serie berekeningen en wordt het berekende krachtenveld gebruikt om simulaties te doen van vloeibaar water, van echte druppeltjes dus.

    • Rob van den Berg