Figuur 1. Twee verschillende typen watermoleculen aan het water-lucht oppervlak.
Het zuurstofatoom is rood; de twee waterstofatomen zijn wit. Watermoleculen zijn onderling verbonden met waterstofbruggen (gestippelde lijnen). Links het type oppervlakte molecuul met één vrije, niet waterstofbrugvormende OH-groep. Rechts een watermolecuul met twee waterstofbruggen. Het linker watermolecuul, met de vrije OH-groep, draait driemaal sneller dan de moleculen eronder.
Water staat niet stil
Water is een unieke vloeistof, die wordt gekenmerkt door de sterke wisselwerking tussen de watermoleculen door zogenaamde waterstofbruggen. De moleculaire structuur van het wateroppervlak is goed bekend, maar niet volledig. Het oppervlak is slechts één moleculaire laag dun en er zijn twee types watermoleculen aan het oppervlak: met één of met twee waterstofbrugvormende OH-groepen (zie figuur 1). Watermoleculen binnenin hebben ook twee waterstofbrugvormende OH-groepen. Bijzonder is de aanwezigheid van watermoleculen aan het oppervlak met slechts één waterstofbrugvormende OH-groep - en met dus een 'vrije' OH-groep. Dit beeld van de statische structuur incompleet omdat de moleculen in werkelijkheid niet stilstaan: de positie en oriëntatie van de watermoleculen verandert op een tijdschaal van picoseconden (0,000000000001 seconde). Om het oppervlak dus helemaal te begrijpen is een aaneenschakeling van beelden nodig: een film van bewegend oppervlaktewater.
Figuur 2. Verschillende manieren van trillen van een watermolecuul.
Technisch hoogstandje
De onderzoekers hebben precies zo'n film gemaakt. Zij volgden de rotatie van de watermoleculen aan het oppervlak met lasers. Met een hele korte laserpuls zetten ze de trilling van de vrije OH-groep van de buitenste laag watermoleculen aan het oppervlak 'aan'. Met een tweede laserpuls volgden zij de beweging van de moleculen in de tijd. De onderzoekers kunnen met deze techniek specifiek kijken naar de buitenste laag watermoleculen, de monolaag, die aan lucht grenst. Dat is een technisch hoogstandje: er zijn maar weinig andere onderzoeksgroepen in de wereld die dat ook kunnen. Groot voordeel is dat het niet nodig is om het signaal van het oppervlak te scheiden van het signaal uit de watermassa binnenin. Gecombineerd met computersimulaties kregen de onderzoekers een gedetailleerd beeld van de snelheid en het mechanisme van waterrotatie aan het oppervlak.
Snel en soepel
Water aan het oppervlak blijkt meer dan drie keer sneller te draaien, dan water dat omgeven is door ander water. Dit is verrassend, omdat het oplossen van zouten of moleculen in water vrijwel altijd aanleiding geeft tot een vertraging van de draaibeweging van water door de onderbreking van het waterstofbrugnetwerk. Het water-lucht oppervlak is dus een uitzonderlijk grensvlak. Ook blijkt dat de draaibeweging aan dit oppervlak veel soepeler is dan die in de bulk: in de bulk roteren watermoleculen door onregelmatig grote draaistappen te maken, terwijl watermoleculen aan het oppervlak juist soepel en continu draaien.
Bron:
FOM
Wetenschappelijke publicatie:
Cho-Shuen Hsieh, R. Kramer Campen, Ana Celia Vila Verde, Peter Bolhuis, Han-Kwang Nienhuys, Mischa Bonn: Ultrafast reorientation of dangling OH groups at the air-water interface using femtosecond vibrational spectroscopy
