We weten al dat de meeste mensen een foutief beeld hebben van de structuur van water (zie vorige blog). In deze blog tonen we aan dat ook specialisten er maar moeilijk vat op krijgen. Er bestaan tientallen wetenschappelijke modellen over de structuur van water, maar geen enkel model lijkt uitverkoren. Is dat een probleem? Is het erg dat er nog enkele blinde vlekken zijn in onze wetenschappelijke inzichten in de natuur? Op zich niet natuurlijk. Wetenschap kent zijn grenzen en het zijn deze grenzen die onderzoekers uitdagen. Blinde vlekken zijn gewoon een noodzakelijk deel van de wetenschappelijke evolutie. Maar is het niet vreemd dat zo goed als niemand zich bewust is van dit gat in onze kennis?

Water is de meest voorkomende molecule op de aarde. Het bepaalt ons klimaat en de energiehuishouding van onze planeet. Het is een essentieel onderdeel van de meeste levende wezens en heeft een enorme impact op onze gezondheid. Het is één van onze beste oplosmiddelen waardoor het een grote verscheidenheid aan chemische reacties mogelijk maakt. Water is het verbrandingsproduct van waterstof, de brandstof van de toekomst. Het heeft bijna 100 anomalieën, dit zijn eigenschappen die afwijken van andere vergelijkbare stoffen. Het feit dat ijs drijft op water is de best gekende anomalie. Water heeft ook de grootste warmtecapaciteit van alle vloeistoffen. Hierdoor weten wetenschappers dat de bewegingen van watermoleculen heel complex zijn (of veel vrijheidsgraden hebben). Het is deze complexe beweging waar we maar moeilijk vat op krijgen. We doen alsof we alles van water weten maar we vatten de essentie nog niet. Hierdoor is het vrij waarschijnlijk dat de echte potentie van water ons nog totaal ontgaat.

Terug naar de hoofdvraag: Waarom hebben zelfs de specialisten nog geen eenduidig model voor de structuur van water? Ik geef je alvast mijn opinie. Ze verliezen zich in  details waardoor de eenvoud van hun modellen verdwijnt.

Wetenschappers houden van microscopische modellen. Die geven op microschaal een beschrijving van hoe onze macroscopische wereld eruit ziet en verklaren de macroscopische eigenschappen van water.  Van de vorige blog weten we dat in een goed watermodel 

1. het merendeel van de watermoleculen verbonden zijn met waterstofbruggen (de smeltwarmte van ijs is veel kleiner dan de sublimatiewarmte van ijs),

2. de watermoleculen zich gemiddeld dichter bij elkaar bevinden dan in ijs (ijs drijft op water), en

3. maar een beperkte fractie van de watermoleculen beweeglijk zijn (om de vloeibaarheid te verklaren). 

Het model van het doorsnee handboek, met vrij bewegende watermoleculen, is in conflict met 1 en moeten we zo snel mogelijk vergeten. Gelukkig zijn de waterspecialisten zich hiervan bewust en vertrekken alle watermodellen vanuit een dominante aanwezigheid van waterstofbruggen.

We zijn nu meer dan 100 jaar op zoek zijn naar een goed microscopisch model (de eerste modellen worden toegeschreven aan Whiting (1884) en Rontgen (1892)) en ondertussen zijn er tientallen variaties op het oorspronkelijk model gekomen. Een chronologisch overzicht van het merendeel van deze modellen kan je terugvinden op de site van Martin Chaplin (een huzarenstuk). 

Op dit moment zijn de meest populaire modellen mengselmodellen. Hierbij gaat men er van uit dat water bestaat uit 2 of meerde fasen die heel snel (in sommige modellen in picoseconden) in elkaar overgaan. Er is altijd een fase met een grotere dichtheid (met meer gebroken waterstofbruggen) en een fase met een lagere dichtheid (met minder gebroken waterstofbruggen). Ook vloeibaarheid zit vervat in deze modellen, ofwel in de aard van de fasen (in het meest populaire model op dit moment zijn beide fasen  vloeibaar) ofwel in de snelle overgang tussen de fasen (waardoor de watermoleculen zich lokaal snel kunnen verplaatsen).

Alle bestaande mengselmodellen verklaren de drie boven beschreven macroscopische eigenschappen, maar er zijn nog vele tientallen anomalieën die moeten verklaard worden. Er is geen enkel model dat ze allemaal aan kan. Het ene model verklaart al wat meer vreemde eigenschappen dan het andere. Voorlopig is er geen echte uitschieter. Het valt daarbij op dat waar de oorspronkelijke modellen nog vrij eenvoudig van aard waren en werden beschreven met enkele wiskundige vergelijkingen, de recente modellen alsmaar complexer worden en zich volledig baseren op computersimulaties. Het ziet er naar uit dat hoe meer anomalieën je wil verklaren hoe complexer je het mengselmodel moet maken.  

We zijn dus het complexe gedrag van water aan het vervangen door een complex model. Vraag is of we wel een stap verder zijn. Als we echt willen begrijpen hoe water een rol speelt in cellen of hoe het interageert met elektromagnetische velden hebben we een eenvoudig watermodel nodig. Liefst wordt dit model beschreven met eenvoudige wiskundige vergelijkingen en laat het toe om de  waterstructuur duidelijk te visualiseren. De mengselmodellen bieden hier niet veel perspectief. Een heterogeen mengsel is moeilijk wiskundig te beschrijven omdat er veel parameters een rol spelen. Hoe groot zijn de verschillende faseclusters? Wat is hun vorm? Wat gebeurt er juist aan het contactoppervlak tussen de faseclusters? Passen die clusters perfect in elkaar of zijn er gaten in de structuur? Hoe verloopt dit alles als functie van de temperatuur en druk? ...  Daarbij komt dat het meest recente en populairste model (dat water uit twee vloeistoffen bestaat) focust op anomalieën die mijn inziens totaal onbelangrijk zijn (hierover schrijf ik zeker nog eens een blog).

De voorbije jaren ben ik de uitdaging aangegaan om een eenvoudig analytisch model voor water te ontwikkelen. Ik heb me hiervoor geïnspireerd op een oud model (uit de jaren '60) waarbij de structuur van water homogeen wordt benaderd. Ik heb dit model aanzienlijk kunnen verbeteren en ben erin geslaagd om de belangrijkste elektromagnetische eigenschappen van water (en de bijhorende anomalieën) op een consistente en eenvoudige manier te verklaren. De resultaten zijn recentelijk neergeschreven in enkele preprints. De wetenschappelijke wereld moet zijn fiat nog geven over dit model (de preprints worden begin oktober doorgestuurd naar een tijdschrift).

De komende maanden laat ik je kennis maken met de sterkste beelden van mijn model en kan je die zelf beoordelen op hun bruikbaarheid. Ook zal je op de eerste rij kunnen volgen hoe de wetenschappelijke wereld reageert op een nieuwe insteek in het waterverhaal.