Waterstofbruggen verdwijnen zodra water in nanometer-dunne buisjes wordt opgesloten

Water gedraagt zich compleet anders zodra het wordt opgesloten in een ruimte van een paar atomen breed. Een team van wetenschappers heeft dat nu voor het eerst rechtstreeks in beeld gebracht, door water te bestuderen binnen in piepkleine koolstofbuisjes. Hoe smaller de buis, hoe meer de waterstofbruggen tussen watermoleculen verdwijnen, ontdekten ze.

Een nieuwe blik op nanowater

Water bestaat uit moleculen die elkaar vasthouden via waterstofbruggen: zwakke, maar talrijke verbindingen tussen het waterstofatoom van het ene molecuul en het zuurstofatoom van het andere. Die bruggen bepalen bijna alle eigenschappen van water, van het kookpunt tot de manier waarop het door een membraan stroomt. Tot nu toe was het extreem moeilijk om te zien wat er met die bruggen gebeurt wanneer water wordt opgesloten in een ruimte van slechts een paar nanometer, zoals in poriën van gesteente, celmembranen of filtermaterialen.

Om dat voor het eerst rechtstreeks te kunnen bekijken, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd vibrationele elektronenenergieverliesspectroscopie, kortweg vEELS. Daarbij schieten ze een bundel elektronen door een preparaat en meten ze hoeveel energie die elektronen verliezen aan trillende moleculen. Met elektronenmicroscopie als basis kon het team voor het eerst inzoomen tot op het niveau van een enkele koolstofnanobuis, een cilindervormige structuur van koolstofatomen met een diameter van soms maar een paar atomen.

Waterstofbruggen die oplossen

In de wat ruimere nanobuisjes gedroeg het opgesloten water zich grotendeels als gewoon water: de watermoleculen vormden netjes waterstofbruggen met hun buren, zichtbaar als een karakteristieke trillingsfrequentie van de O-H-binding. Maar in de allersmalste buisjes verschoof die frequentie naar waarden die je normaal alleen ziet in waterdamp of bij water dat langs een waterafstotend oppervlak stroomt. Dat is het signaal van een vrije, ongebonden O-H-trilling: de watermoleculen liggen daar verspreid, zonder de gebruikelijke waterstofbruggen met elkaar te vormen.

De onderzoekers bouwden ook een theoretisch model op basis van kwantummechanische trillingsoscillatoren, waarmee ze de gemeten signalen konden koppelen aan specifieke lokale schikkingen van watermoleculen. De uitkomsten van dat model kwamen overeen met wat ze in het experiment zagen, wat de resultaten extra overtuigend maakt. Aanvullende experimenten bij zeer lage temperaturen onthulden bovendien complexe overgangen tussen verschillende structuurvormen van het opgesloten water, vergelijkbaar met hoe ijs verschillende kristalvormen kent.

Belang voor materiaalonderzoek

Deze materiaalkarakterisering op moleculair niveau is meer dan een academische curiositeit. Water dat door nauwe nanokanalen beweegt, speelt een rol in waterzuivering, ontzilting en in biologische kanalen die cellen gebruiken om water binnen of buiten te laten. Als wetenschappers precies begrijpen hoe en wanneer waterstofbruggen onder extreme opsluiting verdwijnen, kunnen ze gerichter nieuwe filtermaterialen en nanoschaal-transportsystemen ontwerpen. De kwantumsimulatie die het team gebruikte, biedt daarbij een manier om voorspellingen te doen over materialen die nog niet eens gebouwd zijn.

De bevindingen laten vooral zien dat water onder extreme omstandigheden geen vaste, voorspelbare vloeistof is, maar een dynamisch systeem waarvan het gedrag sterk afhangt van de precieze afmetingen van zijn omgeving. Dat inzicht kan de komende jaren bijdragen aan beter ontworpen nanomaterialen voor waterzuivering en energietoepassingen.