Untitled Document
De geheimen van water
Water/Enith Vlooswijk
Foto/Bert Jansen
Voor de meesten is water een even onmisbare als alledaagse vloeistof.
Dit schijnbaar eenvoudige goedje heeft echter complexe eigenschappen.
Han-Kwang Nienhuys onderzocht een belangrijke oorzaak van deze
eigenschappen; de waterstofbrug. Op woensdag 30 januari verdedigde
hij zijn proefschrift.
 Het lijkt zo 'normaal': water is
vloeibaar bij kamertemperatuur en verandert in ijs wanneer het
vriest. Toch zijn dit opmerkelijke eigenschappen. Methaan bijvoorbeeld,
waarvan de moleculen ongeveer even groot en zwaar zijn als die
van water, wordt pas vloeibaar na afkoeling tot 161 graden onder
nul. Waaraan dankt water zijn unieke gedrag?
Het geheim ligt in de waterstofbrug, een term die de wisselwerking
aanduidt tussen twee watermoleculen. Een watermolecuul (H2O) bestaat
uit een zuurstof-atoom waaraan twee waterstofatomen zijn gekoppeld.
Tussen het waterstof-atoom van het ene molecuul en het zuurstofatoom
van het andere ligt een waterstofbrug. Als een soort veer tracht
deze de afstand tussen de moleculen gelijk te houden. Het kost
dan ook energie om de moleculen uit elkaar te trekken.
Het aantal waterstofbruggen tussen de afzonderlijke moleculen,
alsmede hun afmetingen, bepalen in grote mate de eigenschappen
van het water. In ijs vormt elk molecuul bijvoorbeeld vier waterstofbruggen
met vier andere moleculen, waardoor er een star netwerk ontstaat.
Is water vloeibaar, dan krioelen de moleculen kriskras door elkaar,
waarbij ze voortdurend waterstofbruggen vormen en weer verbreken.
Gemiddeld heeft elk molecuul dan zo'n drieëneenhalve waterstofbrug.
Wie de geheimen van water wil ontrafelen, duikt dus dieper in
de materie van de waterstofbrug. Dit is niet eenvoudig aangezien
een waterstofbrug slechts enkele tienden van een nanometer (een
miljoenste millimeter) lang is. Bovendien veranderen de waterstofbruggen
van plaats en lengte binnen een fractie van een seconde.
Infrarood
Han-Kwang Nienhuys (28), promovendus binnen de faculteit Scheikundige
Technologie, onderzocht het verschijnsel aan het FOM-Instituut
voor Atoom- en Molecuulfysica te Amsterdam. Hij gebruikte hiervoor
een relatief nieuwe techniek: de tijdsopgeloste mid-infraroodspectoscopie.
Met behulp van infraroodpulsen wordt hierbij de lengte van de
waterstofbruggen gemeten.
Om zijn onderzoeksmethode toe te lichten, pakt Nienhuys een theezakje.
Het zakje stelt een waterstofatoom voor, zijn hand een zuurstofatoom.
Het touwtje tussen beide is de atoombinding. "Een bundel
infraroodgolven is eigenlijk een elektrisch veld dat voortdurend
in richting varieert. Richt je een infraroodstraal op water, dan
worden de waterstof- en de zuurstofatomen, die licht positief
en negatief geladen zijn, afwisselend aan- en afgestoten."
Hij tikt zachtjes met zijn vinger tegen het zakje. "Als dit
met een bepaalde regelmaat gebeurt, gaat de binding tussen de
atomen trillen." Na enkele ferme tikjes blijft het zakje
heen en weer zwiepen: er is sprake van 'OH-vibratie'. Nu is het
niet zo dat een willekeurige infraroodbundel OH-vibraties in alle
watermoleculen veroorzaakt: lichtbundels met een specifieke golflengte
slaan alleen die moleculen aan die waterstofbruggen van een bepaalde
lengte hebben. Als de golflengte van het infraroodlicht bekend
is, valt daardoor ook af te leiden hoe lang de waterstofbrug is
tussen de aangeslagen moleculen.
Het aanslaan van een watermolecuul, de 'excitatie', kost energie.
De infraroodbundel verliest daardoor aan sterkte: het licht wordt
geabsorbeerd. Door dit lichtverlies te meten, is vast te stellen
hoeveel waterstofbruggen van een bepaalde lengte in een watermonster
zitten. Zo ontstaat echter slechts een momentopname van het aantal
waterstofbruggen van die lengte: een fractie van een seconde later
kunnen de waterstofbruggen namelijk al weer zijn verbroken of
van lengte veranderd. Nienhuys pakte het daarom anders aan. "Ik
heb gebruik gemaakt van twee kort na elkaar gelegen lichtpulsen",
vertelt Nienhuys, terwijl hij snel door zijn proefschrift bladert.
"Kijk, zo ziet de opstelling eruit." Zijn vinger rust
bij een schematische tekening. "Daar is het watermonster,
enkele micrometers dik en daar is de eerste lichtstraal."
Een schuine streep gaat door het midden van het watermonster en
wordt doorkruist door een andere streep; de tweede lichtbundel.
"Van die tweede puls wordt het licht gemeten dat het watermonster
weer verlaat."
Watermoleculen die aangeslagen zijn, hebben andere absorptie-eigenschappen
dan normaal. Ze kunnen op een bepaald punt bijvoorbeeld niet harder
trillen dan ze al doen. De meting bij de tweede lichtpuls maakt
dit duidelijk: er blijft immers meer licht over dan normaal het
geval zou zijn. Door het twee-puls experiment te herhalen in verschillende
tijdsvertragingen en golflengtes, kon Nienhuys de in lengte en
aantal veranderende waterstofbruggen volgen in de tijd.
De beschreven experimenten gaven hem een gedetailleerd beeld van
het dynamische gedrag van waterstofbruggen. Zo bleek dat waterstofbruggen
binnen ongeveer één picoseconde (een miljoenste
van een miljoenste seconde) van lengte kunnen veranderen. Een
aangeslagen molecuul heeft gemiddeld 0,8 pico-
seconden nodig om uitgetrild te raken. Dit is afhankelijk van
de temperatuur, doordat de waterstofbrug de energie van de OH-vibratie
in de vorm van warmte afstaat aan de omgeving.
Stroperigheid
Naar eigen zeggen is Nienhuys zo 'nieuwsgierig als een kind'.
Om die nieuwsgierigheid te bevredigen, ging hij vervolgens een
stapje verder. Hoe gedragen de waterstofbruggen zich als er natriumhydroxide
(NaOH), ook wel bekend als gootsteenontstopper, in het water is
oplost? Het antwoord is: behoorlijk anders. Het duurt ongeveer
tien keer zo lang voordat de waterstofbruggen van lengte veranderen.
"We vermoeden dat het iets te maken heeft met de stroperigheid
van de vloeistof, maar een exacte verklaring kan ik nog niet geven",
zegt de fysicus aarzelend.
Verder blijkt een natriumhydroxide-oplossing (natronloog) twee
soorten watermoleculen te bevatten. De ene soort raakt in aangeslagen
toestand veel eerder uitgetrild dan de andere. "Dat kan verwarring
opleveren bij het meten", vertelt Nienhuys enthousiast. "Het
ene moment meet je een tijd van 0,14 picoseconden, en vervolgens
eentje van 0,6 picoseconden. Dan vraag je je af: hoe zit het nu!"
Nienhuys vermoedt dat het te maken heeft met de negatief geladen
hydroxide-ionen (OH-) in natronloog. Tussen zo'n ion en een watermolecuul
kan een waterstofbrug ontstaan die veel sterker is dan die tussen
twee watermoleculen onderling. Door de sterke binding trilt de
aangeslagen watermolecuul niet lang door. Vervolgens kan het volgende
gebeuren: datzelfde hydroxide-ion 'steelt' een positief geladen
waterstofatoom (H+) van een ander watermolecuul.
Het OH--ion verandert zo zélf in een watermolecuul. De
waterstofbrug die tussen het hydroxide-ion en de watermolecuul
zat, wordt plotseling veel zwakker. Daardoor kan de molecuul weer
langer door blijven trillen.
Druppel water
Tot slot onderzocht Nienhuys de relatie tussen de beweeglijkheid
van een watermolecuul en de lengte van de eraan vastzittende waterstofbrug.
Watermoleculen draaien voortdurend heen en weer tussen een horizontale
en een verticale stand. De onderzoeker gebruikte daarom gepolariseerde
lichtbundels die ofwel alleen de horizontaal georiënteerde
moleculen aanslaan, danwel alleen de verticaal
georiënteerde moleculen. "Het lijkt misschien een open
deur", vertelt Nienhuys over de resultaten. "Hoe langer
een waterstofbrug is, des te meer bewegingsvrijheid heeft de molecuul.
Maar íemand moet die deur open zien staan."
Het onderzoek van Nienhuys demonstreert dat over een ordinaire
druppel water heel wat valt te vertellen. Juist deze tegenstelling
sprak Nienhuys aan. "Vaak staat onderzoek erg ver weg van
de belevingswereld van anderen. Ik had gehoopt dat dit met het
onderwerp 'water' anders zou zijn, want dat kent iedereen."
Dat viel helaas wat tegen. In zijn nawoord geeft Nienhuys dan
ook toe dat zijn specialistische informatie geen 'oplossing van
het wereldwijde drinkprobleem' biedt. Zit dat de onderzoeker dwars?
Na een korte aarzeling antwoordt hij zuchtend: "Een beetje
wel, ja. Ik vind niet dat élk onderzoek nuttig moet zijn
voor de belastingbetaler, maar ik vind het voor mezelf niet bevredigend
om onderzoek te doen naar iets wat niemand buiten je directe collega's
begrijpt of interesseert. In de praktijk blijft dat lastig bij
fundamenteel onderzoek."
Maatschappelijk relevant of niet, voorlopig is Nienhuys nog
niet uitgekeken op de onderzoekswereld. Na zijn promotie wil hij
zijn licht elders opsteken, het liefst in het buitenland. "Mijn
hart ligt bij de natuurkunde van de gecondenseerde materie. Ik
wil nu weer eens wat anders dan water." Hij tuurt voor zich
uit. "Ik zie wel."/.
|
