Nijmeegse onderzoekers vinden universeel krachtenveld voor water

Voor het eerst is het krachtenveld (de potentiaal) tussen watermoleculen betrouwbaar te voorspellen. Gerrit Groenenboom en Ad van der Avoird, van het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit, haalden er deze week Science mee, samen met Krzysztof Szalewicz en Robert Bukowski van de University of Delaware.

Tot nu toe gebruikte men voor watersimulaties vrij simpele formules voor de potentiaal. Die werden daarna aan de hand van experimenten geoptimaliseerd. Zulke empirische potentialen voorspellen echter nooit alle eigenschappen tegelijk correct. Heb je ze zover dat ze het vloeistofgedrag goed beschrijven, dan komt het spectrum van een waterdimeer er volkomen fout uit.

Kwantummechanische berekeningen laten zien waar het probleem zit. Bereken je de bindingsenergie binnen een systeem van drie watermoleculen A, B en C, dan is die hoger dan de som van de energieën tussen de drie dimeren AB, AC en BC. Maar met zulke meerdeeltjeseffecten houden empirische potentialen geen rekening.

Dankzij snellere computers, nieuwe kwantummechanische inzichten en jaren van noeste arbeid hebben Szalewicz en Bukowski nu een potentiaal kunnen afleiden die wél universeel bruikbaar is. Er zitten ruim 2.500 mogelijke standen van een waterdimeer in verwerkt, en nog eens driemaal zoveel van een trimeer.

Parallel hebben Groenenboom en Van der Avoird een methode ontwikkeld om uit een willekeurige potentiaal het dimeerspectrum te berekenen. Ze namen onder meer acht mogelijke dimeerstructuren mee, die onderling tunneleffecten geven. De resultaten laten zien dat zo’n spectrum zeer gevoelig is voor de vorm van de potentiaalfunctie, en ook dat het in Science beschreven model zeer dicht bij de werkelijkheid zit.

bron: Radboud Universiteit