Niet bevroren water heeft aan het oppervlak de structuur van ijs

Grafeen, een koolstoflaagje van een enkel atoom dik, is niet alleen interessant als materiaal in elektronische schakelingen – onderzoekers van de universiteit van California in Los Angeles presenteren deze week een supersnelle transistor (Nature, 2 september) – maar maakt het ook mogelijk om de structuur van ultradunne vloeistoflaagjes te onderzoeken. Door een waterlaagje met grafeen te bedekken, wisten James Heath en zijn collega’s van CalTech in Pasadena de structuur die de watermoleculen in een dun plasje water aannemen aan het licht te brengen. Tot hun verrassing vormen de watermoleculen vlak boven de vaste ondergrond een flinterdun ijslaagje – zelfs bij kamertemperatuur (Science, 3 september).

Die ontdekking was toeval. De onderzoekers legden grafeen op een ondergrond van mica en bewogen hier voorzichtig de ultradunne naald van een Atomaire Krachtsmicroscoop (AFM) overheen. Die tast het oppervlak als de naald van een platenspeler af en brengt hoogteverschillen in kaart. Het grafeen vormde echter geen volmaakt vlakke laag, maar bleek op sommige plaatsen precies 3.7 Ångstrom dikker te zijn. Dit kwam doordat op die plekken water onder het grafeen was gecondenseerd. Het grafeen lag als een dun, beschermend filmpje op het water en maakte het zo mogelijk om met de naald van de AFM een afbeelding te maken. Uit de dikte van het waterlaagje konden de onderzoekers opmaken dat de watermoleculen regelmatig gerangschikt waren en de structuur van ijs hadden aangenomen.

Door het experiment bij een hogere luchtvochtigheid te herhalen, ontstonden er ook dikkere waterlaagjes onder het grafeen. Het eerstvolgende laagje nam daarbij ook de ijsstructuur aan, terwijl de watermoleculen in hoger gelegen laagjes veel wanordelijker waren en zich wel als een vloeistof gedroegen. De mogelijkheid om op deze manier de structuur van vloeistoffen in de buurt van een vast oppervlak te onderzoeken, kan op termijn inzicht bieden in natuurlijke processen als corrosie (‘roesten’) en condensatie en kan leiden tot een beter begrip van tal van chemische reacties in de industrie, die zich vaak aan het oppervlak afspelen.

Rob van den Berg