Druppeltjes nanowater veel sterker geordend dan verwacht

Het oppervlak van piepkleine waterdruppels, omgeven door een hydrofobe stof zoals olie, is veel sterker geordend dan verwacht. Dat blijkt uit een onderzoek van AMOLF in samenwerking met de Ecole Polytechnique Fédérale van Lausanne. In het gekromde oppervlak van nano-waterdruppels hebben watermoleculen een sterkere interactie met elkaar dan in een normaal wateroppervlak. Dit kan consequenties hebben voor biologische en chemische processen. Het onderzoek wordt op 24 mei 2017 gepubliceerd in Nature Communications.

Overal in de natuur komen waterdruppels in contact met hydrofobe omgevingen, zoals in de atmosfeer (wolken), de aarde (olievelden) en in het menselijk lichaam (medicijnen). De interactie van watermoleculen met de hydrofobe omgeving vindt plaats in het gekromde oppervlak van zo’n druppeltje op nanometerschaal. Onderzoekers van AMOLF en de Ecole Polytechnique Fédérale Lausanne wilden weten of het gekromde oppervlak van zo’n nano-waterdruppel tot een andere structuur van het water leidt dan in gewoon water.

Netwerk
“Het oppervlak van een nano-waterdruppel blijkt een veel beter geordende structuur te hebben dan normaal water”, zegt AMOLF-onderzoeker Huib Bakker. “Je kunt deze structuur vergelijken met die van onderkoeld water. Watermoleculen hebben sterke onderlinge interacties (waterstofbruggen). Die interacties worden nog steviger als de temperatuur daalt. In ijs vormen de watermoleculen daardoor zelfs een stabiel tetraëdrisch netwerk. Aan het oppervlak van nano-waterdruppels zagen we ook een waternetwerk wat veel sterker is dan in gewoon water bij dezelfde temperatuur. Het oppervlak gedraagt zich alsof de temperatuur zo’n 50 graden lager is. Dat hadden we niet verwacht.”

Chemische eigenschappen
De geordende structuur van het oppervlak van nanowater kan consequenties hebben voor de chemische eigenschappen van de druppels. “We kunnen ons voorstellen dat de watermoleculen aan het oppervlak van nano-waterdruppels veel minder bewegelijk zijn dan in gewoon water. Dat kan de snelheid van chemische reacties aan het oppervlak beïnvloeden”, speculeert Bakker. Dat soort reacties zijn belangrijk in atmosferische processen maar ook in levende cellen.

Laserstralen
Om de structuur van het oppervlak van de waterdruppels in olie in beeld te brengen, gebruikten de onderzoekers een bijzondere techniek genaamd vibrational sum frequency scattering. Hierbij worden twee hele korte, intense laserstralen op de waterdruppels gericht: een infrarode straal en een bijna zichtbare straal. Als deze laserstralen samenkomen op het oppervlak van de druppel, genereren zij een nieuwe kleur. Die kleur geeft specifieke informatie over de buitenste moleculaire laag van de waterdruppel.
Bakker: “Het is technisch heel moeilijk om het licht van zulke kleine druppeltjes zonder veel ruis te detecteren. Samen met de groep van Sylvie Roke in Lausanne is het gelukt om het licht op een hele gevoelige manier te detecteren. Daarin zijn we de enige in de wereld.”

Ionen
Het bepalen van de oppervlaktestructuur was een eerste stap in het onderzoek naar de microstructuur van nanodruppels, waar nog weinig over bekend is. De onderzoekers willen nu kijken of andere factoren invloed kunnen hebben op de structuur van nanowater. “We willen weten of de oppervlaktestructuur wordt versterkt of verzwakt door opgeloste ionen, bijvoorbeeld keukenzout”, aldus Bakker.

Boven
Een infrarode en een bijna zichtbare laserstraal komen samen in het oppervlak van de waterdruppel
en vormen een nieuwe kleur die informatie bevat over de structuur.
Onder
Een illustratie van de mogelijke structuur van waterstofverbindingen in het oppervlak van de waterdruppel.

Referentie
Nikolay Smolentsev, Wilbert J. Smit, Huib J. Bakker and Sylvie Roke, The interfacial structure of water droplets in a hydrophobic liquid, Nature Communications, DOI 10.1038/NCOMMS15548