211service.com
'Quantum Water' ontdekt in koolstofnanobuisjes
Veel astrobiologen denken dat water een belangrijk ingrediënt is voor het leven. En niet alleen omdat het leven op aarde niet zonder kan.
Water heeft een vreemde reeks eigenschappen die andere chemicaliën gewoon niet delen. Een bekend voorbeeld is dat water uitzet als het bevriest, waardoor ijs drijft in plaats van zinkt. Dat is belangrijk, want als dat niet het geval was, zouden meren en oceanen van onder naar boven bevriezen, waardoor het moeilijk wordt voor complex leven om te overleven en te evolueren.
Deze en andere eigenschappen zijn het resultaat van het vermogen van watermoleculen om waterstofbruggen met elkaar te vormen en dit geeft deze moleculen een aantal zeer speciale eigenschappen.
Vandaag hebben George Reiter van de Universiteit van Houston en een paar vrienden het bewijs geleverd dat water vreemder is dan iemand ooit had gedacht. In feite gaan ze zelfs zo ver om te zeggen dat wanneer het wordt opgesloten op nanometerschaal, het zich vormt tot een geheel nieuw type kwantumwater.
De achtergrond hiervan is dat de elektronen in donor- en acceptormoleculen in waterstofbruggen niet van elkaar te onderscheiden zijn, wat betekent dat ze van het ene molecuul naar het andere kunnen reizen. Wanneer de moleculen op de een of andere manier zijn opgesloten, kunnen ze zich over een bepaalde afstand verspreiden, bijvoorbeeld in een vaste stof.
Maar watermoleculen kunnen ook op andere manieren worden opgesloten. En als dat gebeurt, wordt de elektronische structuur van vloeibaar water een verbonden netwerk.
Dat roept een belangrijke vraag op: hoe verschilt het gedrag van moleculen in dit elektronische netwerk van het gedrag van moleculen in bulkwater die op een gewone manier met elkaar omgaan?
Reiter en co zeggen dat ze de eigenschappen van opgesloten in de kleine ruimte in koolstofnanobuisjes bij kamertemperatuur hebben gemeten en enkele belangrijke verschillen hebben gevonden. Ze hebben dit gedaan door nanobuisjes met water te vullen en ze te bombarderen met een intense straal neutronen in het Rutherford Appleton Lab in het VK. De manier waarop de neutronen verstrooien onthult het momentum van de protonen in de nanobuisjes.
Het blijkt dat de protonen in dit nano-opgesloten water bij kamertemperatuur zich heel anders gedragen dan die in bulkwater. Van protonen is bekend dat ze gevoelig zijn voor de elektronische velden om hen heen. Dus wanneer deze velden ongebruikelijke elektronische netwerken vormen, is het geen verrassing dat de protonen zich anders gedragen.
De afwijking van de momentumverdeling van de protonen van die van bulkwater is zo groot dat we geloven dat het nano-besloten water goed kan worden beschreven als in een kwalitatief andere kwantumgrondtoestand dan die van bulkwater, zeggen ze.
Ze suggereren zelfs dat er een soort kwantumcoherentie zou kunnen zijn die zich via het elektronische netwerk verspreidt. Als dat het geval is, moet het mogelijk zijn om in toekomstige experimenten te meten hoe dit uiteenvalt.
Dat is een groot probleem. Reiter en co kozen voor koolstofnanobuisjes omdat ze analoog zijn aan de omstandigheden waarmee water wordt geconfronteerd wanneer ze door levende systemen gaan, bijvoorbeeld door ionenkanalen in celmembranen. Biologen weten al lang dat de stroming door deze kanalen een orde van grootte groter is dan de conventionele vloeistofdynamica voorspelt. Misschien is deze nieuwe staat van kwantumwater de reden waarom.
Reiter en co zeggen ook dat dit kwantumwater alleen kan bestaan als het wordt omringd door neutrale moleculen zoals de koolstof in nanobuisjes en niet in de aanwezigheid van veel algemeen bestudeerde materialen, zoals protonenuitwisselingsmembranen zoals Nafion. Deze is gemaakt van moleculen die protonen op een heel andere manier geleiden en zo de vorming van kwantumwater tegengaan.
De implicatie is natuurlijk dat de protonenuitwisselingsmembranen die in alles worden gebruikt, van chemische productie tot brandstofcellen, drastisch kunnen worden verbeterd door een neutraal materiaal op koolstofbasis te gebruiken.
In feite kan dit fenomeen een cruciale factor zijn in het mechanisme van het leven zelf. Spannende dingen!
Referentie: arxiv.org/abs/1101.4994 : Bewijs van een nieuwe kwantumstaat van nano-besloten water