Hoe twee watermoleculen samen dansen

Een internationaal team van onderzoekers bekeek hoe watermoleculen op elkaar inwerken en gebruikte daarvoor de laser van extreme hoge resolutie van het FELIX laboratorium van de Radboud Universiteit. De bevindingen geven beter inzicht in de bijzondere eigenschappen van water. Ze zijn gepubliceerd in Angewandte Chemie.

Ondanks dat water overal is, begrijpen we nog niet veel van de wisselwerking tussen individuele watermoleculen. Onderzoekers zijn er nu voor het eerst in geslaagd om de bewegingen tussen watermoleculen volledig te bestuderen, beter bekend als intermoleculaire vibraties. Daarbij is een bepaalde beweging van individuele watermoleculen tegen elkaar belangrijk, zogeheten ‘belemmerde draaiing’.

Water is de belangrijkste oplossing in scheikunde en biologie en heeft een aantal bijzondere eigenschappen, zoals dat water de hoogste dichtheid bereikt bij 4 graden Celsius. Dat komt door de interacties tussen watermoleculen. ‘Het beschrijven van deze interacties bleef een uitdaging voor de wetenschap’, vertelt Martina Havenith, hoogleraar aan de Ruhr-Universität Bochum.

Het team onderzocht de meest simpele interactie, namelijk die tussen twee individuele watermoleculen, met behulp van terahertz spectroscopie. De onderzoekers zonden korte pulsen van straling in het terahertz bereik door het monster, dat een deel van de straling opneemt. Het opnamepatroon geeft informatie over de interacties waarbij moleculen elkaar aantrekken. De onderzoekers analyseerden de watermoleculen bij extreem lage temperaturen omdat een verbinding tussen twee watermoleculen bij kamertemperatuur niet stabiel zou zijn.
Om dit te doen, stopten de onderzoekers individuele watermoleculen in een kleine druppel helium, een druppel met een temperatuur van 0.4 Kelvin (-272.75 graden Celsius). De druppels zijn te vergelijken met een stofzuiger die de individuele watermoleculen opzuigen.

Door deze aanpak konden de onderzoekers het spectrum van de belemmerde draaiingen voor het eerst waarnemen. ‘Watermoleculen zijn steeds in beweging’, legt Martina Havenith uit. ‘Ze roteren, gaan open en dicht.’ Maar als een watermolecuul dicht in de buurt komt bij een ander watermolecuul, kan het molecuul zich niet meer vrij bewegen – dat wordt ‘belemmerde draaiing’ genoemd.