Op zoek naar een verklaring voor bijzonder gedrag van ijs op aarde
Als je de standaard waterstofatomen in ijs vervangt door een zwaardere variant dan gebeurt er iets geks. Het volume dat de moleculen innemen groeit met 0,1 procent. De Leidse chemicus Jörg Meyer en zijn collega’s hebben een theoretisch model gemaakt dat dit gedrag beschrijft. Hun onderzoek verscheen op de cover van de Journal of Physical Chemistry Letters.
Het volume-isotoop-effect
Het volume dat een bepaald soort moleculen inneemt, verandert als je de aanwezige atomen vervangt voor een zwaardere variant. Dit effect heet het volume-isotoop-effect, afgekort VIE. Varianten van een chemisch element met verschillende gewichten, heten isotopen. Zo heb je bijvoorbeeld ‘gewone’ waterstof en ‘deuterium’, een waterstofatoom dat zwaarder is door de toevoeging van een neutron in de kern.
Ijs heeft een afwijkend volume-isotoop-effect
De meeste materialen hebben een normale VIE, waarbij het volume van een bepaalde hoeveelheid moleculen kleiner wordt als je lichte isotopen vervangt door zwaardere. ‘Bij de meest voorkomende vorm van ijs op aarde (zie kader), neemt het volume juist toe', vertelt Meyer. 'Dat is contra-intuïtief. Simpel gezegd perken zwaardere isotopen de trillingen van moleculen in een materiaal namelijk in. Hierdoor hebben de moleculen minder bewegingsruimte nodig en wordt het volume kleiner. Maar bij ijs blijkt het volume vreemd genoeg juist toe te nemen als je waterstof vervangt door deuterium: het zwaardere isotoop.’
Zeshoekige ijskristallen
De onderzoekers richtten zich op ijs Ih: de meest voorkomende vorm van bevroren water op aarde. De h zegt iets over de kristalstructuur, die hexagonaal, oftewel zeshoekig is.
IJs is niet het enige materiaal met een afwijkend VIE. Je ziet het bijvoorbeeld ook bij halfgeleiders. Door een theoretisch beschrijving van dit contra-intuïtieve gedrag te vinden, hopen de onderzoekers meer te leren over de eigenschappen van deze materialen en de chemische bindingen die ze bij elkaar houden.
Speciale formule om het volume-effect te beschrijven
Om het volume-effect theoretisch te beschrijven, hebben de onderzoekers een zogeheten interactiepotentiaal-formule nodig. Die benadert wat er op het niveau van moleculen gebeurt, omdat het onmogelijk is om alle quantummechanische wisselwerkingen exact te beschrijven. ‘Bijna alle interactiepotentialen voorspelden dat het volume kleiner wordt als je waterstofatomen vervangt door deuteriumatomen’, zegt Meyer. ‘Alleen die van de Paesani-groep in de VS gaf een groter volume, zoals we in werkelijkheid zien.’
Manier waarop moleculen trillen bepaalt mede het volume
De onderzoekers hebben de interactiepotentiaal van deze Amerikaanse onderzoeksgroep uitvoerig geanalyseerd. Uit de analyse bleek dat het afwijkende volume-isotoop-effect te maken heeft met de verschillende manieren waarop moleculen in een kristalstructuur kunnen trillen. Bij een watermolecuul kunnen de waterstofatomen bijvoorbeeld heen en weer veren in de richting van het zuurstofatoom of buigt het hele molecuul heen en weer.
'De moleculen maken als het waren ruimte door met hun ellebogen te zwaaien.'
In ijs zijn daardoor twee mogelijkheden: bij de zogeheten rek-trillingsmodus vertonen de watermoleculen een soort interne trilling. Daarvoor hebben ze niet zoveel ruimte nodig en kunnen ze dicht op elkaar zitten. Bij de andere, zogeheten vibratiemodus, eisen de moleculen meer ruimte op. Meyer: ‘Dat is vergelijkbaar met iemand die omstanders dwingt ruimte te maken door met zijn ellebogen te zwaaien.’
Zwaardere isotopen betekent meer vibratie en meer ruimte
Als je waterstofatomen in ijs vervangt door deuteriumatomen dan blijkt de invloed van de vibratiemodus toe te nemen en die van de rekmodus af. Dat zorgt ervoor dat de moleculen elkaar meer wegstoten, waardoor ze meer ruimte innemen en het volume groter wordt. Meyer: ‘Dat is een simpele analogie van het complexe quantum-mechanische effect dat in werkelijkheid optreedt.’
Er is nog genoeg dat Meyer verder zou willen uitzoeken. ‘Zo blijken drie-lichamen-interacties, waarbij meer dan twee moleculen betrokken zijn, een belangrijke rol te spelen voor het volume-effect, terwijl die interacties bij de binding tussen moleculen nauwelijks een rol spelen. Voorlopig blijft ijs ons verbazen.’
Wetenschappelijke publicatie