Foto: Luis Nunes Alberto/Wikimedia Commons

In elk glas zitten twee soorten water, dankzij de kwantumfysica (en ze gedragen zich anders)

Water bestaat in twee verschillende vormen, die andere  kwantumeigenschappen hebben, en ortho-water en para-water genoemd worden. Onderzoekers hebben die twee zogenoemde isomeren van water nu voor het eerst van elkaar gescheiden, en apart laten reageren met een andere stof. En wat blijkt? Para-water reageert daar 25 procent sneller mee dan ortho-water. Het experiment is een grote stap voorwaarts om te begrijpen hoe een abstract fysisch concept uit de kwantumwereld een chemische reactie in de macroscopische wereld kan beïnvloeden.

Water komt op aarde veel voor, we hebben er alle dagen mee te maken, en we denken er niet al te veel over na. Maar water is een bijzonder vreemde stof, en gelukkig maar. Als dat niet het geval zou zijn, zouden we hier waarschijnlijk niet zijn om op te kunnen merken dat het zo vreemd is.

Zo heeft water bijvoorbeeld zijn grootste dichtheid bij een temperatuur rond 4 graden Celsius, en niet als ijs bij lagere temperaturen. Als dat niet het geval zou zijn, zouden vijvers, meren en rivieren van de bodem af dichtvriezen, en al het leven erin doden. Nu drijft ijs op water, en op de bodem van een vijver of meer ligt een laag water van 4 graden, waarin vissen en andere levende wezens kunnen overleven.

Als water bovendien niet zo spectaculair goed zou zijn in het absorberen van warmte, zou onze planeet al lang geleden "overgekookt" zijn, en als watermoleculen niet zo goed zouden zijn in het meenemen van andere chemische stoffen, terwijl ze door membranen kruipen of in bloedvaten stromen, zouden planten en dieren sterven door ondervoeding.  

Wetenschappers zoeken al sinds de tijd van Galileo naar een verklaring voor de vreemde eigenschappen van water, maar evident blijkt dat niet te zijn. Nu heeft een team van Zwitserse en Duitse onderzoekers mogelijk een aanzet tot een verklaring gevonden: water bestaat uit twee verschillende types van moleculen, en die twee types gedragen zich op een verschillende manier. 

Alle watermoleculen bestaan uit een zuurstofatoom (rood) en twee waterstofatomen (wit), die er als Mickey Mouse-oortjes uitsteken. Maar verschillende waterstofatomen kunnen verschillende kwantum-eigenschappen hebben.  Illustratie: Ingvald Straume/Wikimedia Commons

Spin

Alle watermoleculen bestaan uit een enkel groot zuurstofatoom en twee kleinere waterstofatomen, die er als Mickey Mouse-oortjes uitsteken. Maar die watermoleculen kunnen onderverdeeld worden in twee verschillende "isomeren" of types, op basis van een kwantum-eigenschap van de kernen van hun waterstofatomen, de "spin".  

Het Engelse woord spin betekent een draaibeweging, rotatie, maar de kernen draaien niet in het rond in de klassieke betekenis. Desondanks heeft de spin van de waterstofkernen een invloed op de rotatie van de watermolecule waar ze deel van uitmaken. 

Als de spin van de twee waterstofatomen in water in dezelfde richting geörienteerd is, noemen we het water ortho-water, als de spin in verschillende richtingen gaat, noemen we het isomeer para-water. 

Aangezien de isomeren zeer sterk op elkaar lijken, is het zeer moeilijk gebleken om de twee verschillende isomeren van elkaar te scheiden.  Maar professor Stefan Willitsch van de universiteit van Bazel en zijn collega's slaagden er toch in door gebruik te maken van de "polaire" aard van de watermoleculen en van een elektrisch veld. Vervolgens onderzochten ze hoe de verschillende isomeren apart reageerden met een andere chemische stof.

Een watermolecule heeft op zich geen elektrische lading, maar toch is ze "polair", heeft ze een negatieve pool en een positieve. De kant van het zuurstofatoom is negatief geladen, de kant van de waterstofatomen positief. (Illustratie: Ricardo Rovinetti/Wikimedia Commons)

Para-water reageert een kwart sneller

Spin heeft doorgaans enkel een invloed op partikels op de zeer kleine kwantumschaal, en dat heeft onderzoekers lange tijd verhinderd van de isomeren van water van elkaar te scheiden. 

De onderzoekers maakten nu echter gebruik van de "polaire" aard van watermoleculen, het feit dat die een negatieve en een positieve pool hebben. Door de vreemde, asymmetrische vorm van de watermoleculen, vloeien elektronen op een ongelijke manier over hun oppervlakte. En daardoor is een kant van de watermolecule, die van het zuurstofatoom, negatief geladen, en de andere kant, die van de waterstofmoleculen, positief. 

De wetenschappers vuurden een straal watermoleculen door een elektrisch veld, dat zo afgesteld was dat het een licht verschillende druk uitoefende op de polaire ortho-watermoleculen en de polaire para-watermoleculen. Daardoor kwamen die in verschillende "emmertjes" terecht aan het einde van het pad van de straal. 

Vervolgens brachten de onderzoekers de voorgesorteerde isomeren in elk emmertje in contact met supergekoelde diazenylium-ionen, die gevangen zaten in een "val". Diazenylium-ionen bestaan uit twee stikstofatomen en een kation, een positief geladen ion, van waterstof, H+. Dat is in essentie een "naakt" proton, zonder elektronen. Diazenylium, dat veel voorkomt in gaswolken in de interstellaire ruimte, reageert met water door zijn waterstofion af te geven aan het water, dat dan H3Owordt in plaats van H2O.

Uit het experiment bleek dat para-water 25 procent sneller reageerde met diazenylium dan ortho-water. Dit effect kan volgens de onderzoekers verklaard worden door het feit dat de nucleaire spin, de spin van de waterstofkernen, ook de rotatie van de watermoleculen beïnvloedt. Dat heeft als gevolg dat er verschillende aantrekkingskrachten inwerken op de partners die betrokken zijn in de chemische reactie. Para-water is in staat om zijn reactiepartner sterker aan te trekken dan de ortho-vorm, wat leidt tot een toegenomen chemische activiteit, zo zeggen de onderzoekers. Die bevindingen uit het experiment werden bevestigd door computersimulaties .

Voorgesorteerde ortho-water- en para-watermoleculen met een verschillend georiënteerde nucleaire spin (blauwe en rode pijltjes) reageren aan een verschillende snelheid met diazenylium-ionen (links in het centrum).(Illustratie: University of Basel, Departement of Chemistry)

Belangrijke stap voorwaarts

"Voor zover we weten, is deze studie de eerste waarin gemaakt werd dat poly-atomaire neutrale moleculen (zoals water), die geselecteerd werden op hun rotatie-toestand,  een reactie aangingen met ionen", schreef het team van de universiteit van Bazel en hun collega's uit Hamburg in hun studie. 

Dit experiment, zo schreven ze, betekent een grote stap voorwaarts naar een beter begrip van hoe een abstract natuurkundig concept zoals kwantum-spin, een invloed uitoefent op de chemische reacties die overal rondom ons plaatsvinden, en zelfs in onze lichamen. 

De studie onder leiding van professor Stefan Willitsch is gepubliceerd in "Nature Communications".