Moleculen in een vloeistof niet kriskras door elkaar

Moleculen in vloeibare alcohol zijn niet willekeurig ten opzichte van elkaar georiënteerd. Die vondst van wetenschappers van de Universiteit van Amsterdam weerlegt het idee dat moleculen in een vloeistof kriskras door elkaar zitten.

Op school leerden we dat moleculen in een vloeistof kriskras door elkaar zitten. Maar dat idee staat al enige tijd ter discussie. Computersimulaties suggereerden al dat moleculen in veel vloeistoffen toch een mate van ordening kennen, met name als de moleculen sterke interactie met elkaar hebben, zoals  het geval is in water of alcohol. FOM-promovendus Matthijs Panman en zijn collega’s van de Universiteit van Amsterdam hebben nu laten zien dat dit klopt: in alcohol is sprake van lokale oriëntatieorde. Dat betekent dat naburige moleculen ten opzichte van elkaar een vrij precies bepaalde hoek hebben, terwijl er geen langeafstandordening is zoals in een kristal.

Elk alcoholmolecuul bevat een binding tussen zijn zuurstofatoom (O) en waterstofatoom (H). De onderzoekers beschenen de alcohol met zeer korte infrarode lichtpulsen van ongeveer een biljoenste van een seconde. Als het infraroodlicht de juist frequentie heeft, zal bij een deel van de alcoholmoleculen de O-H-binding dankzij resonantie harder gaan trillen. De binding wordt langer en korter, op de maat van de lichtgolf.

Het gebruikte licht is gepolariseerd, wat betekent dat het elektrische veld van het licht een vaste richting heeft. Het licht brengt alleen die O-H-bindingen aan het trillen die parallel staan aan zijn elektrische veld. Vervolgens geven deze trillende bindingen de beweging door aan de O-H-bindingen van buurmoleculen. Die bindingen hebben immers dezelfde resonantiefrequentie. Als er een hoek zit tussen de twee naburige O-H-groepen, zullen er na het overspringen van de trilling ook moleculen trillen die niet parallel staan aan het elektrische veld van de infrarode puls. Hoe sterk dat effect is, hangt af van de hoek tussen de O-H-bindingen van de buurmoleculen.

Door de overdracht van trillingen waar te nemen, konden de onderzoekers de gemiddelde hoek tussen buurmoleculen bepalen. Ze ontdekten dat de naburige O-H-bindingen in alcohol een hoek van ongeveer 120 graden met elkaar maken. In andere vloeistoffen kan die hoek anders zijn: zo blijken in de vloeistof N-methylacetamide de bindingen tussen het stikstofatoom en het waterstofatoom van naburige moleculen ongeveer parallel aan elkaar te staan. De lokale orde wordt in beide vloeistoffen veroorzaakt door interacties (waterstofbruggen) tussen de naburige moleculen. Overigens bestaat de lokale orde steeds maar enkele biljoensten van seconden, omdat het netwerk van waterstofbruggen heel dynamisch is: er worden continu waterstofbruggen tussen moleculen verbroken en nieuwe gevormd. De onderzoekers publiceren hun werk in Physical Review Letters.