Gepubliceerd op 29 april 2008
Molecuul aan wateroppervlak trilt en buigt
Gepubliceerd op 29 april 2008
Een watermassa heeft aan zijn oppervlak een heel andere structuur dan
tot nu toe altijd is gedacht. Dat laten onderzoekers van het
FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, de
Universiteit Utrecht en de Universiteit van Amsterdam zien door te
kijken naar de frequenties van trillende watermoleculen aan het
oppervlak. De resultaten zijn gepubliceerd in Physical Review Letters.
Ondanks het feit dat meer dan de helft van het aardoppervlak wordt
gevormd door water, weten we weinig over de moleculaire structuur van
het wateroppervlak. Water is een unieke vloeistof, die wordt
gekenmerkt door de sterke wisselwerking tussen de watermoleculen -
door zogenoemde waterstofbruggen. Het netwerk van waterstofbruggen dat
aan het oppervlak onderbroken is, verleent dat wateroppervlak een
aantal bijzondere eigenschappen. Een voorbeeld hiervan is de extreem
hoge oppervlaktespanning, waardoor waterjuffers over water kunnen
schaatsen.
Een bijzondere manier om de moleculen aan het wateroppervlak te
onderzoeken is door met een speciale laser te `luisteren' naar de
interne trillingen van de watermoleculen. Het watermolecuul bevat twee
bindingen tussen het zuurstofatoom en de waterstofatomen. Die
bindingen vormen kleine veertjes waardoor de atomen ten opzichte van
elkaar kunnen trillen (zie figuur 1, links). De frequentie van deze
zogenaamde strektrilling wordt bepaald door de sterkte van de veer die
op zijn beurt weer afhangt van de wisselwerking met de omringende
watermoleculen.
De frequentie (toon) geeft dus informatie over de omgeving van het
watermolecuul. Een watermolecuul dat volledig omgeven is door andere
moleculen (in de bulk) trilt met één frequentie. Aan het oppervlak
zijn echter twee frequenties te horen. De ene frequentie lijkt op die
van watermoleculen in vloeibaar water; de andere op die van
watermoleculen in ijs. Daarom denkt men al decennia lang dat er aan
het oppervlak twee soorten watermoleculen bestaan: watermoleculen en
ijsachtige moleculen.
Figuur 1. De verschillende trillingen van water. Links de
strektrilling, waarbij het molecuul zich uitrekt en weer samentrekt,
rechts de buigtrilling.
Tweeklank
De onderzoekers hebben nu de oorsprong van de tonen van het
wateroppervlak nader onderzocht met behulp van isotoopvervanging. Ze
hebben één waterstofatoom in het watermolecuul (H2O) vervangen door
een deuteriumatoom (een zwaardere versie van het waterstofatoom - H2O
wordt daardoor HDO) en opnieuw geluisterd naar de tonen van
watermoleculen aan het oppervlak. Als er werkelijk vloeibaar en
ijsachtig water op het oppervlak zou bestaan, zou de `muziek' op het
HDO-oppervlak hetzelfde moeten klinken als op een H2O-oppervlak: net
als H2O-moleculen zouden de HDO-moleculen in ijs- en waterachtige
omgevingen zitten, en die omgeving bepaalt de toon van de
O-H-strektrilling van het HDO-molecuul. Echter, voor het HDO-oppervlak
hoorden de onderzoekers niet twee tonen, maar slechts één toon.
De verklaring blijkt te zitten in de trillingen in de moleculen. Naast
de strektrillingen bestaat er nog een trilling van het watermolecuul;
daarbij buigt het (zie figuur 1, rechts). De koppeling van deze
buigtrilling met de strektrillingen leidt tot twee nieuwe gemengde
trillingen. De frequenties van deze trillingen verschillen zodat er
twee tonen over het wateroppervlak klinken. Elk watermolecuul speelt
een tweeklank. Voor HDO zijn de trillingen niet gekoppeld en klinkt er
maar één enkele toon (zie figuur 2). Dat betekent dat de twee tonen op
het H2O-oppervlak niet afkomstig zijn van vloeibaar en ijsachtig
water, maar door elk H2O-molecuul afzonderlijk worden voortgebracht.
Op moleculaire schaal is oppervlaktewater is dus een stuk eenvoudiger
dan voorheen werd gedacht: de waterjuffer schaatst alleen op water, en
niet op ijsachtige moleculen.
Figuur 2. Metingen van de frequentieverdeling van de strektrilling van
water aan het grensvlak tussen water en lucht. Voor gewoon water (H2O)
zijn duidelijk twee frequenties zichtbaar; voor HDO-water waarvan één
van de waterstofatomen (H) vervangen is door deuterium (D) blijft
slechts één frequentie over. Dit bewijst dat de twee frequenties voor
H2O uit één molecuul komen.
Publicatiegegevens:
Maria Sovago, Kramer Campen, George Wurpel, Michiel Müller, Huib
Bakker en Mischa Bonn: `The vibrational response of hydrogen-bonded
interfacial water is dominated by intramolecular coupling', Physical
Review Letters, 28 april 2008, vol. 100.
Bron: UvA Persvoorlichting/FOM
Universiteit van Amsterdam