Nieuwegein (NL) – Amerikaanse en Duitse wetenschappers onderzoeken met de vrije-elektronenlaser van het FOM-instituut Rijnhuizen hoe watermoleculen een proton omhullen.


Het gedrag van water laat zich maar moeilijk in kaart brengen. Niettemin is onderzoek aan water belangrijk, want het speelt een enorm belangrijke rol in tal van chemische en biologische processen, met name als protonen (H⁺) moeten worden overgedragen. Onderzoekers van de vrije universiteit in Berlijn en van de universiteit van Californië wilden weten hoe protonen zich in water gedragen. Protonen hebben schijnbaar een enorme beweeglijkheid in water. In feite is er daarbij slechts sprake van de snelle overdracht van lading. De onderzoekers richten hun vizier op protonen die zijn omringd door enkele watermoleculen, namelijk een proton omringd met twee moleculen water ((H₂O)H⁺(H₂O)) en een hydroniumion omringd door drie watermoleculen (H₃O⁺(H₂O)₃).
Bij het onderzoek bepaalden de onderzoekers vibratiespectra van kleine waterclusters. Vibratiespectra tonen de wisselwerking van een materiaal met infrarood licht en vormen een vingerafdruk van een molecuul. Dit licht beïnvloedt de trillingsenergie van moleculen. Bij grotere hoeveelheden water levert eenvoudigweg de absortie van infrarood licht de gewenste informatie. Bij de nu bestudeerde kleine proton-watercomplexen lukt dat niet. Daarom maten de onderzoekers hoeveel geladen fragmenten er ontstaan als de deeltjes door het infrarode licht uiteenvallen.

Elektrospray
Voor de metingen gebruikten de onderzoekers de vrije-elektronenlaser FELIX in Nieuwegein. Deze unieke laser fabriceert infrarood licht als elektronen met bijna de lichtsnelheid een rij magneten passeren. De onderzoekers maakten eerst een straal van clusters waterstofionen via elektrospray, een in 2002 met de Nobelprijs voor scheikunde bekroonde techniek. Ze selecteerden met een massaspectrometer de geladen clusters met de juiste massa en verzamelden die in een vacuümkamer bij honderd kelvin.

De clusters bestookten ze vervolgens met korte laserpulsen. Daarop bepaalde een detector het aantal gevormde hydroniumionen (H₃O⁺). Zo ontstond een spectrum van het aantal verkregen hydroniumionen als functie van de golflengte van het infraroodlicht, variërend van vijf tot twintig micrometer. Ze herhaalden het experiment met 'zwaar' water, waarin de protonen zijn vervangen door deuteriumkernen.

De spectra van de clusters lijken tot op zekere hoogte op het vibratiespectrum van gewoon water, zo beschrijven de onderzoekers in Science. De structuur van de moleculen in de clusters lijkt dus op die van water. Het onderzoek maakt duidelijk dat de technologie zeer lastig is als molecuulstructuren ingewikkelder worden. De spectra van enzymen die protonen overdragen lijken daarmee vooralsnog onmogelijk meetbaar. Binnenkort zullen de onderzoekers wel in Nieuwegein gaan kijken naar andere protonclusters, namelijk protonen omringd door vier watermoleculen en hydroxide-ionen gebonden aan een enkel watermolecuul.

Erick Vermeulen