Stichting FOM
3 oktober 2011, 2011/42
Watermoleculen als efficiënte infraroodantennes
Watermoleculen aan het oppervlak van een watermassa wisselen supersnel
energie met elkaar uit. Dit is waargenomen door onderzoekers van het
FOM-instituut AMOLF met een nieuwe, door hen ontwikkelde,
spectroscopische techniek. Hiermee konden ze de overdracht van
vibratie-energie tussen watermoleculen aan het oppervlak real-time op
de zeer korte tijdschaal van femtosecondes (10^-15 s) volgen. Dit
resultaat is belangrijk voor een beter begrip van fysische en chemische
processen op wateroppervlakken, zoals celmembranen, atmosferische
waterdruppels en oppervlakken in elektrochemische cellen. De
onderzoekers publiceren hun resultaten in Nature Chemistry, online op 2
oktober 2011.
Figuur 1. Oppervlaktewater als antenne voor vibratie-energie
vergroten Figuur 1. Oppervlaktewater als antenne voor vibratie-energie
Zodra een watermolecuul aan het oppervlak door een laserpuls (rood) of
op andere wijze geëxciteerd wordt, wordt de energie extreem snel
overgedragen. In eerste instantie binnen het molecuul, daarna naar
dieper gelegen moleculen. Deze processen vinden plaats op een
tijdschaal van enkele honderden femtoseconden.
Wateroppervlakken
Water is een unieke vloeistof, die wordt gekenmerkt door de sterke
wisselwerking tussen de moleculen - door zogenaamde waterstofbruggen.
Eén van de bijzondere eigenschappen van water is dat watermoleculen
energie in de vorm van trillingen heel snel kunnen uitwisselen. Deze
energie-uitwisseling is zeer relevant voor chemische processen in
water. Er is echter niets bekend over energie-uitwisseling van
watermoleculen aan oppervlakken, waar processen plaatsvinden die
essentieel zijn voor membraanbiologie, elektrochemie en atmosferische
chemie.
Nieuwe techniek
Met een nieuwe tweedimensionale spectroscopische techniek is het de
onderzoekers gelukt om de energie-uitwisseling aan het wateroppervlak
te meten. Ze gaven met een ultrakorte infraroodpuls van 100
femtoseconden energie aan watermoleculen. Een watermolecuul bestaat uit
een zuurstofatoom (O), verbonden met twee waterstofatomen (H). Zo'n
verbinding kan door de energie uit de infraroodpuls gaan trillen. De
onderzoekers kunnen trillingen van specifieke watermoleculen exciteren,
bijvoorbeeld alleen die met sterke waterstofbruggen, door de precieze
frequentie van de infrarode puls te veranderen. Die trilling van een
watermolecuul bevat veel energie en kan van het ene watermolecuul naar
het andere 'hoppen'. Als gevolg van die energieoverdracht worden in de
loop van de tijd ook zwakgebrugde watermoleculen aan het oppervlak
geëxciteerd. De onderzoekers brachten in kaart hoe snel dit gaat aan
het oppervlak, door de vertraging tussen de eerste excitatiepuls en de
twee detectiepulsen te variëren.
Antennes
De energieoverdracht in de bovenste laag blijkt plaats te vinden op een
tijdschaal van enige honderden femtoseconden (fs, 1 fs=10^-15 s),
langzamer dan in de rest van het water. Dit komt doordat watermoleculen
op het grensvlak alleen maar naar beneden, het water in, energie kunnen
overdragen. Verder zagen de onderzoekers dat de buitenste
watermoleculen waarvan één OH-groep vrij de lucht in wijst, zeer
efficiënt energie kan opvangen en het water in geleiden (zie figuur).
De vrije OH-groep doet dit door, na in trilling te zijn gebracht met
licht van de juiste infraroodgolflengte, de energie heel snel om te
zetten in een trilling van de andere OH-groep binnen hetzelfde
molecuul. Vervolgens wordt de energie weer bliksemsnel aan andere
watermoleculen overgedragen.
Het wateroppervlak kan dus uiterst efficiënt energie opnemen en
verdelen. Deze eigenschap is van belang voor processen aan
wateroppervlakken waar lokaal veel energie bij vrijkomt, zoals tijdens
de werking van actieve membraaneiwitten, en ook voor chemische reacties
die door wateroppervlakken gekatalyseerd worden, bijvoorbeeld op
waterdruppels en ijsdeeltjes in de atmosfeer.
Contact
Mischa Bonn (werkgroepleider AMOLF).
Referentie
Ultrafast vibrational energy transfer at the water-air interface
revealed by two-dimensional surface vibrational spectroscopy.
Zhen Zhang ^1, Lukasz Piatkowski^1, Huib J. Bakker^1 and Mischa
Bonn^1,2, Nature Chemistry, 2011.
^1 FOM-instituut AMOLF
^2 Max Planck Institute for Polymer Research, Mainz , Germany
DOI: 10.1038/NCHEM.115