Wetenschappers in de VS hebben bewijs gevonden dat het oppervlak van vloeibaar water, zelfs bij kamertemperatuur, een structuur heeft die steeds meer op ijs lijkt naarmate het grensvlak tussen water en lucht nadert. Phillip Geissler en Nathan Odendahl van de Universiteit van Californië, Berkeley, computersimulaties uitgevoerd van de ongelijke interface tussen lucht en water en geïdentificeerde geordende motieven, die volgens hen aanzienlijke overeenkomsten vertonen met ijs.
Van de atmosfeer tot de menselijke longen: veel van de belangrijkste processen op aarde vinden plaats aan het oppervlak van een waterdruppel, waardoor dit onderzoek potentiële implicaties heeft voor de natuurkunde, scheikunde en biologie.
"De dingen die we al tientallen jaren proberen te begrijpen over water in zijn bulkomgeving lopen gewoon verkeerd op grensvlakken", zegt Geissler, die simulaties gebruikte om water op moleculair niveau te bestuderen dat niet toegankelijk is in experimenten. Spectroscopische metingen van het lucht-watergrensvlak hebben verrassende resultaten opgeleverd, wat duidt op een geordende waterstofbinding aan het oppervlak. Geissler en Odendahl waren nieuwsgierig naar eerdere simulaties, die ijs suggereerden als referentiepunt voor de structuur van grensvlakwater, maar ze dachten niet dat deze resultaten doorslaggevend waren. Als gevolg hiervan bedachten ze een manier om deze patronen gedetailleerder te zoeken.
Op zoek naar structuur in wanorde
Vloeibaar water is wanordelijk, dus de onderzoekers wisten dat de structuren waarnaar ze zochten moeilijk te vinden zouden zijn, omdat ze zich over slechts een paar moleculen uitstrekken en onder ruis begraven liggen. Ze hadden het idee dat eerdere onderzoekers details misten omdat ze de interface als een plat vlak hadden behandeld, terwijl deze in werkelijkheid zacht en hobbelig was. Ruim tien jaar geleden werd begonnen met het onderzoek naar zachte lucht-watergrensvlakken, waarbij lagen parallel aan het oppervlak aan het licht kwamen, maar Geissler en Odendahl waren de eersten die dit gebruikten om naar een verband met ijs te zoeken.
Geissler zei dat hij verrast was toen Odendahl hem de eerste resultaten liet zien door de grensvlakken tussen ijs en water over elkaar heen te leggen. Ze beweren dat, met de extra details van het momentane grensvlak, de lagen aan het wateroppervlak kunnen worden opgesplitst in sublagen (zie bovenstaande figuur). Parallelle sublagen zijn een kenmerk van het basale oppervlak van ijs, en ze presenteren wat volgens het duo een opvallende gelijkenis is tussen deze lagen in het ijs- en water-lucht-grensvlak.
Met behulp van deze sublagen als referentiepunt vergeleken Geissler en Odendahl de oriëntaties van de moleculen, wetende dat dit goed gedefinieerd is voor tetraëdrische watermoleculen in ijs. Toen de onderzoekers de favoriete richting van de zuurstof-waterstofbindingen nabij het wateroppervlak in kaart brachten, constateerden ze dat de ordening, die volgens hen opnieuw lijkt overeen te komen met een ijsoppervlak. Deze patronen bevatten een paar moleculaire diameters, wat groter is dan de voorbijgaande tetraëdrische structuren die in bulkwater worden verwacht.
Gebroken symmetrie dwingt water zich te organiseren
Odendahl pleitte voor hun conclusies en zei: “Het hebben van die flexibele interface gaf ons echt het vertrouwen om te zeggen dat het niet slechts een paar toevallige maatstaven zijn. Als je naar de dichtheid kijkt, als je naar de oriëntatie kijkt, als je naar de meerdere lagen kijkt, naar alles waar we naar keken, leek er een match te zijn.”
Water blijkt elektrisch dood te zijn op grensvlakken
De interpretatie van onderzoek naar de statistische mechanica van vloeistoffen is echter altijd controversieel. Het voortdurende debat over het grensvlak tussen water en lucht zal neerkomen op de fundamentele vraag hoe ijs wordt gedefinieerd, en of kan worden gezegd dat een structuur die zich over slechts een paar moleculen uitstrekt kristalachtige eigenschappen heeft. Terugkijkend op hun resultaten zei Geissler: “We hebben nu dit structurele referentiepunt om over deze structurele motieven na te denken, en ik denk dat dat uiteindelijk een zeer nuttig conceptueel hulpmiddel zal blijken te zijn.”
Het onderzoek staat beschreven in de Tijdschrift van de American Chemical Society.
