Wateroppervlakken hebben toch een homogene structuur

Een wateroppervlak heeft een homogene structuur. Een open deur, denkt de leek die aan spiegelende vijvers denkt. Maar voor fysici die water bestuderen tot op het niveau van moleculen, is het nieuws. Onder hen heerste de gedachte dat watermoleculen in een grenslaag – zoals tussen water en lucht – zich in kleine gebiedjes afwisselend op twee wijzen organiseren. Losjes gebonden, min of meer zoals in het bulkwater onder het oppervlak, of met steviger samenhang, meer zoals in ijs. Maar dat klopt niet: een wateroppervlak kent geen ‘ijsachtige’ structuren, schrijven hoogleraar Mischa Bonn en collega’s bij het AMOLF-instituut in Amsterdam. (Physical Review Letters, online, 28 april).

Kennis van wateroppervlakken is toepasbaar in bijvoorbeeld de chemie waar veel processen zich in contact met water afspelen. Of in de atmosferische chemie, waar de oppervlaktespanning van water samenhangt met druppelvorming. Maar metingen aan een grenslaag van één molecuul dik zijn lastig, omdat de signalen uit het bulkwater overheersen. Van dat bulkwater is de structuur wel goed bekend. De watermoleculen (een zuurstofatoom (O) en twee waterstofatomen (H)) vormen een netwerk dankzij waterstofbruggen: daarin slaat een waterstofatoom van het ene watermolecuul een brug naar een ander watermolecuul door daar eveneens losjes aan te binden.

In het grensvlak wordt dat netwerk deels onderbroken, en om de resterende structuur te doorgronden, bekijken fysici de interne trillingen in de moleculen. De OH-bindingen trillen als een veer, die resoneert als er laserlicht van een goed gekozen frequentie op valt. Zulke metingen leidden tot het idee dat de grenslaag twee structuren kent. De omgeving bepaalt mede hoeveel bewegingsvrijheid een binding heeft, en dus bij welke frequentie hij resoneert. En de eerdere metingen lieten resonanties zien bij twee frequenties. Er zouden dus twee structuren zijn.

Maar Bonn en collega’s tonen nu aan dat de interpretatie niet klopt. Ze doen dat door met een verfijnd systeem van ultrasnelle lasers te meten aan watermoleculen waarin één waterstofatoom vervangen is door deuterium, zwaar water (D). Op de aard van omgevingsinvloeden heeft dat geen effect , maar toch resoneert de mengvorm slechts bij één frequentie. Dat laat dus zien, aldus het team, dat de de grenslaag homogeen van structuur is.

Aan de hand van meer metingen beredeneert het team wat wél zorgt voor het ontstaan van twee frequenties in H2O . Het is een interne kwestie: een wisselwerking tussen de trilling in de OH-bindingen en de frequentie waarmee het hele molecuul buigt en strekt, leidt tot een ‘tweeklank’. Door een veranderde buig- en strekfrequentie verdwijnt die in HDO.

Margriet van der Heijden