Gedrag van water rond apolair molecuul opgehelderd

Een waterfilm rond een hydrofoob molecuul is zo immobiel als ijs, maar de structuur is die van vloeibaar water. Dat stellen fysici van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam volgende week in Physical Review Letters.

De publicatie moet een einde maken aan een controverse die al tientallen jaren duurt. De Amerikaanse onderzoekers Henry Frank en Marjorie Evans leidden in de jaren veertig uit warmtemetingen af dat de waterfilm rond een hydrofoob (apolair) molecuul zich ook boven het vriespunt als ijs gedraagt. Ze omschreven het resultaat als ‘hydrofobe ijsbergen’.

Metingen met infraroodspectrometrie en neutronendiffractie suggereerden echter dat het water niets van het hydrofobe molecuul merkt en gewoon de structuur van zuiver water behoudt.

De Amsterdamse onderzoekers Yves Rezus en Huib Bakker hebben nu ontdekt dat beide partijen een beetje gelijk hebben. Zij besloten om voor de verandering de beweeglijkheid (reoriëntatie) van de watermoleculen te bestuderen. De gedachte was dat die beweeglijkheid in vloeibaar water veel groter moet zijn dan in ijs.

De onderzoekers voegden dartoe een kleine hoeveelheid ‘zwaar water’ (HDO, deuteriumoxide) toe aan het gewone water. Zulke moleculen hebben het voordeel dat ze zijn te volgen met ultrasnelle mid-infrarood spectroscopie. Je beschijnt de oplossingen met laserpulsen van honderd femtoseconde, met een golflengte van vier micrometer. Absorptie van de lichtpuls leidt tot een trilling van het D-atoom in HDO. Vlak daarna stuur je er een tweede lichtpuls achteraan en kijkt over welke hoek de trillende OD-groep in de tussentijd is gedraaid.

Metingen aan oplossingen van verschillende hydrofobe moleculen leten zien dat er inderdaad watermoleculen in aanwezig zijn die zich veel minder snel bewegen dan de rest. Daarmee is de aanwezigheid van ‘hydrofobe ijsbergen’ bewezen. De grootte van de ijsberg hangt af van die van het hydrofobe molecuul: elke extra methylgroep trekt twee watermoleculen extra aan.

Het ijs is echter geen echt ijs. Het behoudt de structuur van vloeibaar water, geen krisal maar een open netwerk van moleculen die door waterstofbruggen bij elkaar worden gehouden. De hydrofobe moleculen duiken als het ware in holtes in dit netwerk. Ze zitten daarbij de waterstofbruggen niet in de weg maar beperken wel de bewegingsruimte van de watermoleculen, en dáár komt de ijsachtige dynamica vandaan.

Overigens speelt deze structuur een belangrijke rol bij het zogenaamde hydrofoob effect. Dit zorgt ervoor dat in water opgeloste hydrofobe deeltjes elkaar aantrekken, en is zo de drijvende kacht achter processen zoals eiwitvouwing en de zelfassemblage van celmembranen.

bron: FOM