Natuurkundigen ontdekken een nieuwe fase van water

Natuurkundigen van het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten hebben een nieuwe fase van water ontdekt. Zij zijn erachter gekomen dat water zich in extreem kleine ruimtes heel anders gedraagt dan we gewend zijn en dan niet meer de eigenschappen heeft van een gas, vloeistof of vaste stof. In plaats daarvan bevindt het zich een eigenaardige alternatieve staat.

De natuurkundigen hebben deze nieuwe fase ontdekt door te kijken naar watermoleculen die gevangen zitten in de kristalstructuur van beril, een mineraal dat erg lijkt op smaragd of aquamarijn. Dit experiment wordt beschreven in een onderzoek dat afgelopen vrijdag gepubliceerd is in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letter.

Om te begrijpen wat ze precies gedaan hebben, moet je jezelf eerst een enkel watermolecuul voorstellen: twee waterstofatomen die vastzitten aan één zuurstofatoom. Dit molecuul wordt vervolgens geplaatst in een minuscuul kleine ruimte die van nature aanwezig is in de kristalstructuur van beril. Die ruimte is maar vijf ångströms breed; een ångström komt overeen met een tienmiljardste van een meter. Volgens de natuurkundigen komt het in de natuur vaak voor dat water zich in zo'n kleine ruimte bevindt, bijvoorbeeld in minerale gesteenten en de wanden van cellen.

Atomen hebben een diameter van een paar ångström, dus de watermoleculen in het beril zitten in een soort dwangbuis. Als watermoleculen zich in zo'n omgeving bevinden gaan ze tunnelgedrag vertonen, waardoor ze "gedelocaliseerd" worden. Dit betekent dat het water zich in verschillende staten tegelijkertijd kan bevinden, een effect dat we wel gewend zijn van de kwantumwereld.

Dit ziet er zo'n beetje uit als in de afbeelding hierboven. De waterstofatomen van het molecuul beginnen zes verschillende symmetrische vormen tegelijkertijd aan te nemen, met het zuurstofatoom vast in het midden.

Normaal gesproken bevinden de waterstofatomen zich aan een zijkant van het zuurstofatoom, waardoor het molecuul er een beetje uitziet als het symbool >. Een watermolecuul dat in deze vorm in de zeshoekige ruimte van het beril gevangen zit, kan zes verschillende richtingen op draaien. Dit gaat door totdat er geen energie meer over is om nog van plaats te veranderen.

Tenminste, dat is wat er logischerwijs zou moeten gebeuren. Maar de kwantumwereld is veel vreemder dan dat.

Op het moment dat het molecuul weer energie heeft, krijg je een enkel waterstofatoom met daaromheen een ring van onregelmatige pieken. In plaats van een keuze te maken voor een vaste positie aan een enkele kant van het zuurstofatoom, vormen de waterstofatomen een soort vreemd statisch gemiddelde van alle mogelijke posities – een effect dat sterker is naarmate de temperaturen hoger zijn. Dit is de nieuwe fase die de wetenschappers hebben ontdekt.

De natuurkundigen hebben dit proces geobserveerd door middel van een techniek genaamd 'neuron scattering'. Hierbij worden neutronen gebruikt om subatomaire vormen te onthullen, in plaats van de gebruikelijke elektronen en fotonen van bijvoorbeeld röntgenmethoden. Het voordeel van neutronen is dat hun lading neutraal is, wat betekent dat ze niet beïnvloed worden door de materialen die tussen de observator en het geobserveerde (het molecuul) in liggen. Het gebrek aan elektrische lading houdt ook in dat ze zich niet bemoeien met de geladen deeltjes die ze moeten observeren.

De nieuwe fase van water heeft een aantal interessante kenmerken. Zo is het centrum van de massa verschoven van de waterstofatomen naar het zuurstofatoom, en heeft het molecuul haar polariteit verloren. Normaal gesproken is de zuurstofkern van een watermolecuul meer negatief geladen en de zijkant, waar de waterstofatomen zitten, meer positief geladen. Als de waterstofatomen een cirkel rond het zuurstofatoom vormen, bestaat deze polariteit niet meer.

Dit betekent dat het molecuul niet meer geïnteresseerd zou moeten zijn in het aangaan van een verbinding met andere moleculen. Het resultaat hiervan is dat water in deze vorm niet langer een 'universele oplosser' is – een kenmerk van water dat de gehele biologische wereld ondersteunt. Als je het zo bekijkt is water in deze nieuwe staat eigenlijk dood: het doet niets meer en het is nutteloos voor de bio-chemie geworden.