Wetenschappers hebben lasers ingezet om de grens tussen lucht en water te meten. Dit kan helpen om de aardatmosfeer beter te begrijpen, en het kan de productie van waterstof verbeteren.
Wetenschappers hebben eindelijk de precieze dikte van de barrière tussen water en lucht vastgesteld. Deze ontdekking kan nieuwe inzichten bieden in de atmosfeerwetenschap, en helpen bij de productie van hernieuwbare energie.
‘We hebben water in ons lichaam, we hebben water in de atmosfeer. Water is overal, maar er is nog steeds een enorm gebrek aan kennis over water’, zegt natuurkundige Martin Thämer van het Fritz Haber Instituut van het Max Planck Gesellschaft in Duitsland, die met collega’s over het onderzoek publiceerde op de preprint-website Arxiv.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Waterstofbruggen
Watermoleculen zijn meestal willekeurig georiënteerd, maar de onderzoekers wisten dat ze aan het oppervlak een speciale oriëntatie aannemen omdat ze geen waterstofbruggen kunnen vormen met luchtmoleculen erboven. Waterstofbruggen zijn de zwakke maar invloedrijke aantrekkingskrachten tussen de waterstof- en de zuurstofatomen van verschillende watermoleculen.
Toch bleef de omvang van dit effect onduidelijk. Om daarachter te komen, lieten de onderzoekers watermoleculen trillen met twee speciaal gekalibreerde laserstralen, en analyseerden ze veranderingen in de eigenschappen van het gereflecteerde licht, zoals de frequentie. De oriëntatie van watermoleculen beïnvloedt hoe het licht gereflecteerd wordt.
Om de effecten van de ongewoon georiënteerde moleculen aan het oppervlak te onderscheiden, vergeleken ze de metingen van twee verschillende watermonsters: bij een daarvan waren de waterstofatomen vervangen door deuterium, een zware variant van waterstof.
Het kostte ongeveer 60 uur aan metingen om een nauwkeurig resultaat te krijgen, zegt teamlid Alexander Fellows van het Fritz Haber Instituut. Ze ontdekten dat de grens tussen lucht en water ruwweg drie lagen watermoleculen moet bevatten, een laagje van minder dan één nanometer dik.
Water-chemicus
Inzicht in hoe watermoleculen zich gedragen in verschillende chemische reacties en grensvlakken, kan helpen om cruciale processen te verbeteren of beter te begrijpen, zoals katalysereacties in de chemie, atmosferische gassen die oplossen in de oceaan, of het splitsen van water in waterstof, zegt water-chemicus Damien Laage van de École Normale Supérieure in Parijs.
En hoewel de nieuwe meting overeenkomt met eerdere theoretische berekeningen, zegt Laage dat er geen theoretische consensus bestaat over andere eigenschappen van het grensvlak tussen lucht en water. Daarover moeten toekomstige experimenten uitsluitsel bieden.
