Stichting FOM 3 oktober 2011, 2011/42

Watermoleculen als efficiënte infraroodantennes

Watermoleculen aan het oppervlak van een watermassa wisselen supersnel energie met elkaar uit. Dit is waargenomen door onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF met een nieuwe, door hen ontwikkelde, spectroscopische techniek. Hiermee konden ze de overdracht van vibratie-energie tussen watermoleculen aan het oppervlak real-time op de zeer korte tijdschaal van femtosecondes (10^-15 s) volgen. Dit resultaat is belangrijk voor een beter begrip van fysische en chemische processen op wateroppervlakken, zoals celmembranen, atmosferische waterdruppels en oppervlakken in elektrochemische cellen. De onderzoekers publiceren hun resultaten in Nature Chemistry, online op 2 oktober 2011.
Figuur 1. Oppervlaktewater als antenne voor vibratie-energie vergroten Figuur 1. Oppervlaktewater als antenne voor vibratie-energie Zodra een watermolecuul aan het oppervlak door een laserpuls (rood) of op andere wijze geëxciteerd wordt, wordt de energie extreem snel overgedragen. In eerste instantie binnen het molecuul, daarna naar dieper gelegen moleculen. Deze processen vinden plaats op een tijdschaal van enkele honderden femtoseconden.
Wateroppervlakken
Water is een unieke vloeistof, die wordt gekenmerkt door de sterke wisselwerking tussen de moleculen - door zogenaamde waterstofbruggen. Eén van de bijzondere eigenschappen van water is dat watermoleculen energie in de vorm van trillingen heel snel kunnen uitwisselen. Deze energie-uitwisseling is zeer relevant voor chemische processen in water. Er is echter niets bekend over energie-uitwisseling van watermoleculen aan oppervlakken, waar processen plaatsvinden die essentieel zijn voor membraanbiologie, elektrochemie en atmosferische chemie.

Nieuwe techniek
Met een nieuwe tweedimensionale spectroscopische techniek is het de onderzoekers gelukt om de energie-uitwisseling aan het wateroppervlak te meten. Ze gaven met een ultrakorte infraroodpuls van 100 femtoseconden energie aan watermoleculen. Een watermolecuul bestaat uit een zuurstofatoom (O), verbonden met twee waterstofatomen (H). Zo'n verbinding kan door de energie uit de infraroodpuls gaan trillen. De onderzoekers kunnen trillingen van specifieke watermoleculen exciteren, bijvoorbeeld alleen die met sterke waterstofbruggen, door de precieze frequentie van de infrarode puls te veranderen. Die trilling van een watermolecuul bevat veel energie en kan van het ene watermolecuul naar het andere 'hoppen'. Als gevolg van die energieoverdracht worden in de loop van de tijd ook zwakgebrugde watermoleculen aan het oppervlak geëxciteerd. De onderzoekers brachten in kaart hoe snel dit gaat aan het oppervlak, door de vertraging tussen de eerste excitatiepuls en de twee detectiepulsen te variëren.

Antennes
De energieoverdracht in de bovenste laag blijkt plaats te vinden op een tijdschaal van enige honderden femtoseconden (fs, 1 fs=10^-15 s), langzamer dan in de rest van het water. Dit komt doordat watermoleculen op het grensvlak alleen maar naar beneden, het water in, energie kunnen overdragen. Verder zagen de onderzoekers dat de buitenste watermoleculen waarvan één OH-groep vrij de lucht in wijst, zeer efficiënt energie kan opvangen en het water in geleiden (zie figuur). De vrije OH-groep doet dit door, na in trilling te zijn gebracht met licht van de juiste infraroodgolflengte, de energie heel snel om te zetten in een trilling van de andere OH-groep binnen hetzelfde molecuul. Vervolgens wordt de energie weer bliksemsnel aan andere watermoleculen overgedragen.

Het wateroppervlak kan dus uiterst efficiënt energie opnemen en verdelen. Deze eigenschap is van belang voor processen aan wateroppervlakken waar lokaal veel energie bij vrijkomt, zoals tijdens de werking van actieve membraaneiwitten, en ook voor chemische reacties die door wateroppervlakken gekatalyseerd worden, bijvoorbeeld op waterdruppels en ijsdeeltjes in de atmosfeer.

Contact
Mischa Bonn (werkgroepleider AMOLF).

Referentie
Ultrafast vibrational energy transfer at the water-air interface revealed by two-dimensional surface vibrational spectroscopy. Zhen Zhang ^1, Lukasz Piatkowski^1, Huib J. Bakker^1 and Mischa Bonn^1,2, Nature Chemistry, 2011.

^1 FOM-instituut AMOLF
^2 Max Planck Institute for Polymer Research, Mainz , Germany DOI: 10.1038/NCHEM.115