ENGINEERINGNET.BE Water is het belangrijkste oplosmiddel in scheikunde en biologie en heeft 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 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’, aldus Havenith. ‘Ze roteren, gaan open en dicht.’
Maar als een watermolecuul dicht in de buurt komt bij een ander watermolecuul, kan het molecuul niet meer vrij bewegen – dat wordt ‘belemmerde draaiing’ genoemd.
De interactie tussen watermoleculen is weer te geven in de vorm van de zogeheten elektrische potentiaal van water. ‘Dit is een multidimensionele kaart die laat zien hoe de energie van watermoleculen verandert wanneer de afstanden en hoeken tussen de moleculen veranderen’, legt Havenith uit.
Alle eigenschappen, waaronder dichtheid, geleidingsvermogen of verdampingstemperatuur, zijn af te leiden van deze potentiaal. ‘Onze metingen maken het nu mogelijk om de best mogelijke test van alle potentialen te ontwikkelen,’ concludeert Havenith.
