Dennis Barten
Water heeft vreemde eigenschappen die de wetenschap nog steeds niet goed kan verklaren. Tot nu toe bestond er geen model dat het gedrag van water in al zijn verschijningsvormen goed beschrijft. Uitgaan van de kwantummechanica om de wisselwerking tussen twee, drie, …, veel watermoleculen te berekenen is de beste aanpak voor zo”n model. Dertig jaar na de eerste poging daartoe is het eindelijk gelukt.
Vrijdag 2 maart 2007 publiceert Science het werk van prof. Ad van der Avoird en collega”s. Hij is verbonden aan het Institute for Molecules and Materials van de Nijmeegse universiteit.
Water. Simpel water. Het is overal en we kunnen niet zonder. Drie atomen. Twee waterstof, één zuurstof, H2O, een watermolecuul. Erg eenvoudig. Lijkt het. Maar schijn bedriegt. Water doet dingen anders dan andere stoffen. Vloeibaar water heeft de grootste dichtheid bij 4 graden celcius en niet bij 0 graden, het vriespunt. IJs drijft op water, dus de vaste stof van water heeft een lagere dichtheid dan de vloeistof. Water kookt “pas” bij 100 graden celcius, en ook dat vinden wetenschappers opmerkelijk: andere kleine moleculen koken bij normale druk al bij veel en veel lagere temperaturen.
Water dankt deze speciale eigenschappen aan het feit dat een H2O molecuul vier waterstofbindingen kan vormen met andere watermoleculen, die elk ook weer vier waterstofbindingen vormen, enzovoort. Zo ontstaat een dynamisch netwerk van waterstofbindingen die door de temperatuurbeweging in de vloeistof voortdurend verbroken en weer hersteld worden. Maar hoe dat precies in zijn werk gaat en hoe dit de bijzondere eigenschappen van water veroorzaakt wordt nog steeds niet begrepen. Onderzoekers kijken daarom uit naar een model dat alle verschijnings-vormen van water goed beschrijft.
Een model van water gaat uit van het krachtenveld tussen de watermoleculen, ook wel de potentiaalfunctie of kortweg potentiaal genoemd. Deze bepaalt hoe de moleculen elkaar aantrekken op grotere afstand en elkaar afstoten als ze te dicht bij elkaar komen. De meeste simulaties gaan uit van “empirische potentialen”, dat wil zeggen, ze passen het gebruikte krachtenveld aan het experiment aan. Hiermee lukt het niet om alle eigenschappen van water tegelijk goed te beschrijven. De ab-initiomethode, waarbij het gedrag van water wordt bepaald op basis van de kwantummechanisch berekende wisselwerking tussen een steeds groter aantal watermoleculen, lijkt veelbelovender. Deze methode werd in 1976 door Clementi van IBM voor het eerst gebruikt. Zijn berekeningen waren echter nog lang niet nauwkeurig genoeg. Dertig jaar later is het wel zo ver, blijkt uit de Science-publicatie van 2 maart.
