Opmerkelijk en hopelijk ook nuttig: een waterdruppeltje moet minstens 83 watermoleculen bevatten om twee extra elektronen te kunnen bevatten, en vervolgens minstens 105 moleculen wil er waterstofgas in kunnen ontstaan.

Ruim twee decennia heeft het geduurd, maar nu heeft Uzi Landman eindelijk met collega’s aan Georgia Institute of Technology en de universiteit in Tel Aviv een eerste inzicht in het gedrag van elektronen in minuscule waterdruppeltjes. Uiteindelijk waren daarvoor geavanceerde meetapparaten, spectrometers, nodig, en complexe quantumchemische berekeningen.

De aanzet voor dit onderzoek vormde de ontdekking in de jaren zestig dat ioniserende straling waterstof kan vrijmaken uit kleine waterdruppels. De vraag was hoe dat mogelijk was, omdat waterstofbruggen tussen waterstof- en zuurstofatomen in de vloeistof zeer sterk zijn.

Roze wolk
In Tel Aviv bestudeerden onderzoekers met de massaspectrometer geladen clusters van watermoleculen, van zes tot een paar honderd moleculen groot. De kleinste clusters bevatten een extra elektron, maar vanaf een kritieke grootte van 83 moleculen waren er ook clusters die twee elektronen bevatten. Nog belangrijker was de waarneming dat die dubbel geladen clusters minimaal 105 moleculen groot moeten zijn wil er waterstof in kunnen ontstaan.
De computerberekeningen van Landman leverden een model van wat er gebeurt, beschreven in Journal of Physical Chemistry A.

Uiteraard stoten de negatieve elektronen in de kleine waterclusters elkaar af, zodat ze zich volgens de berekeningen aan weerszijden van het minuscule druppeltje bevinden, aan het oppervlak (groen en blauw in de eerste afbeelding). Vanaf een grootte van 105 watermoleculen kan er ook een onstabiele toestand ontstaan met een holte in de druppel. Daarin kunnen twee waterstofatomen elkaar naderen en met de nabije vrije elektronen (de roze wolk in de tweede afbeelding) een waterstofmolecuul vormen. Daarbij ontstaan twee negatieve hydroxyl-ionen (OH^–). Het waterstofmolecuul kan ontwijken aan de druppel. Waarnemingen en berekeningen stemmen erin overeen dat bij clusters met minder dan 105 watermoleculen zo’n holte niet kan ontstaan.

Nieuwe onderzoeksvragen dienen zich nu aan, zoals het effect van temperatuur of de aanwezigheid van metaalionen. Landman hoopt dat vervolgonderzoek sneller nieuwe resultaten gaat opleveren, bijna 25 jaar is toch wel lang. Alhoewel het onderzoek uiterst fundamenteel is, leggen de onderzoekers wel een relatie met het ontstaan van waterstof nadat straling weefsels heeft beschadigd. Landman denkt dat zijn resultaten ook helpen bij onderzoek naar kunstmatige fotosynthetische systemen.

Erick Vermeulen