De geheimen van water ontdekken op de computer

Water is waarschijnlijk het meest voorkomende molecuul in de biosfeer. Vloeibaar water heeft een aantal bijzondere eigenschappen, bijvoorbeeld dat het de grootste dichtheid heeft bij 4 graden celcius en uitzet bij bevriezing. Hoewel het ook het meest bestudeerde materiaal is: ieder jaar worden er ongeveer 60 duizend wetenschappelijke artikelen gepubliceerd die betrekking hebben op water, worden een aantal elementaire eigenschappen van water nog steeds niet goed begrepen. Al tientallen jaren wordt geprobeerd om inzicht in het gedrag van water te krijgen door simulaties. In de meeste simulaties worden empirische krachtvelden (potentialen) gebruikt, waarvan de parameters bepaald worden aan de hand van het experiment. Er zijn een aantal van dergelijke geparameterizeerde waterpotentialen in omloop, maar het feit dat er nog voortdurend nieuwe ontwikkeld worden geeft al aan dat ze niet alle eigenschappen van water tegelijk goed kunnen beschrijven. Ook blijkt dat het spectrum van een waterdimeer, een cluster van twee water moleculen, berekend met een empirische potentiaal die de vloeistof goed beschrijft, totaal niet op het gemeten spectrum lijkt.

Een principieel andere methode om de waterpotentiaal te bepalen is door middel van zogenaamde ab initio quantummechanische berekeningen. Het blijkt uit dergelijke berekeningen dat de bindingsenergie tussen drie watermoleculen A, B en C niet de som is van de bindingsenergieën van de paren AB, AC en BC, maar dat er nog een belangrijke bijdrage is: de drie-deeltjes-energie. Voor meer dan drie moleculen zijn er zelfs nog hogere bijdragen, maar die worden steeds kleiner. Een goede potentiaalfunctie voor water moet dus al deze termen bevatten, terwijl de meeste empirische potentialen alleen paar-interacties bevatten. Door het empirisch optimaliseren van de parameters worden de meer-deeltjes-effecten impliciet meegenomen, maar dit heeft duidelijk beperkingen. In een recent artikel in Science1 wordt door Robert Bukowski en Krzysztof Szalewicz van de Universiteit van Delaware en Gerrit Groenenboom en Ad van der Avoird van de Radboud Universiteit Nijmegen een ab initio berekende waterpotentiaal gepresenteerd die zowel paarwisselwerkingen als drie- en meer-deeltjes-interacties bevat. Deze potentiaal is de eerste die, zonder enige aanpassing van parameters aan het experiment, een goed waterdimeer-spectrum oplevert en tegelijk de eigenschappen van water als vloeistof goed beschrijft.

Water simulation Momentopname van de simulatie van water bij kamertemperatuur met de nieuwe potentiaal.

Het is bekend dat de anomale eigenschappen van vloeibaar water ermee te maken hebben dat elk molecuul via waterstofbruggen kan binden met vier naburige moleculen. In ijs leidt dat tot een min of meer perfect netwerk van waterstofbindingen, met een vrij open structuur. In vloeibaar water worden deze waterstofbindingen voortdurend verbroken en opnieuw gevormd door de temperatuurbeweging, maar meestal wordt aangenomen dat elk watermolecuul gemiddeld drie à vier waterstofgebonden buren heeft. Simulaties met de waterpotentiaal van Bukowski et al. laten zien, in overeenstemming met de meeste eerdere theorieën, maar in tegenstelling tot een ander vrij recent artikel in Science, dat dit inderdaad het geval is. Het plaatje toont een momentopname uit zo'n simulatie, waarin de waterstofbindingen zijn aangegeven als stippellijnen en waarin te zien is dat de waterstofatomen (grijze bollen) zich richten naar de zuurstofatomen (rode bollen). In de simulatie ziet men ook dat de waterstofbruggen verbroken en opnieuw gevormd worden. Dit nieuwe watermodel, waarin ook meer-deeltjes-interacties expliciet meegenomen worden, kan gebruikt worden voor de verklaring van de interessante eigenschappen van vloeibaar water. Ook is het toepasbaar op andere aggregatietoestanden van water, zoals de vele kristalvormen van ijs, water bij extreme drukken en temperaturen (superkritisch water) en water als biologisch oplosmiddel.

  1. Robert Bukowski, Krzysztof Szalewicz, Gerrit C. Groenenboom, en Ad van der Avoird, Predictions of the properties of water from first principles, Science, 315, 1249 (2007)
Terug naar [ Water pagina | Theoretische Chemie | IMM | Faculteit | RU]
Valid HTML 4.01! Gemaakt op: 19 april 2007, door Gerrit C. Groenenboom, e-mail: gerritg at theochem.ru.nl