Watermoleculen voor het eerst precies in computer gesimuleerd

Als water niet zo doodgewoon was, zou het een heel vreemde stof zijn: heel ongewoon is bijvoorbeeld dat water uitzet als het bevriest. Daardoor drijft ijs op water, wat ons de Noordpoolkap en schaatsplezier oplevert. Onderzoekers van de Universiteit van Delaware en van de Radboud Universiteit Nijmegen is het nu voor het eerst gelukt om watermoleculen in de computer te simuleren, inclusief vreemde eigenschappen (Nature, 1 maart).

Nog een vreemde eigenschap is dat het smelt- en het kookpunt van water met nul en honderd graden Celsius bijzonder hoog zijn voor zo’n klein, licht molecuul. De gangbare verklaring is dat watermoleculen ‘waterstofbruggen’ vormen: zich met elkaar verbinden via aantrekkende (dipool)krachten tussen een waterstofatoom en een zuurstofatoom van een naburig molecuul. Door de bruggen blijven de moleculen dicht bij elkaar, wat het hoge smeltpunt en kookpunt verklaart.

Bij bevriezing leiden waterstofbruggen er bovendien toe dat de watermoleculen in een stabiel rooster komen te zitten, waarbij elk watermolecuul vier buren op gelijke afstanden heeft. Zo’n ‘tetraëdrisch’ rooster is relatief ruim. Smelten verstoort die ruime ordening, vandaar dat water een hogere dichtheid heeft dan ijs.

Maar deze verklaringen waren tot nog toe kwalitatief, niet kwantitatief, terwijl een exacte berekening voor een goed begrip van de stof wel handig zou zijn. Zo was er in 2004 nog ruzie onder waterdeskundigen over de vraag of moleculen in vloeibaar water nou gemiddeld twee of juist drie à vier waterstofbruggen met de buren aangaan. Maar ook computersimulaties van biologische systemen zouden baat hebben bij een exacter watermolecuulmodel.

Bij de meeste stoffen volstaat het om met langdurige quantummechanische berekeningen de kracht uit te rekenen tussen twee moleculen in alle mogelijke posities en oriëntaties ten opzichte van elkaar. Maar die vlieger gaat niet op voor water, omdat de moleculen elkaar sterk beïnvloeden, onder andere door de waterstofbruggen. De interactie tussen drie watermoleculen is meer dan de opgetelde interacties tussen de afzonderlijke paren, waardoor het aantal door te rekenen variabelen al snel uit de hand loopt.

De oplossing was tot nog toe om de krachten tussen moleculen af te leiden uit experimenten en die te gebruiken in watersimulaties, al is dat niet altijd betrouwbaar. De Nijmeegse en Amerikaanse rekenaars is het nu met een slimme combinatie van rekenmethoden gelukt om groepen van drie watermoleculen door te rekenen met gebruikmaking van alleen basisprincipes uit de natuurkunde, waarbij de regels van de quantummechanica de krachten tussen moleculen bepalen. Dat leidde tot een bruikbaar watermodel voor watersimulaties, maar ook tot een antwoord in de discussie over het aantal waterstofbruggen in vloeibaar water: r gemiddeld drie à vier per molecuul. Bruno van Wayenburg

Rectificatie / Gerectificeerd

Het artikel `Watermoleculen voor het eerst precies in de computer gesimuleerd` (W&O, 10 maart) verscheen niet in Nature maar in Science. Ook de illustratie komt uit Science.