NWO-I

NWO - Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek - print-logo

URL voor deze pagina :
https://www.nwo-i.nl/fom-historie/jaarverslagen/hoogtepunten/hoogtepunten2013/protonen-in-minuscule-druppels-nr-118/

Geprint op :
17 december 2018
20:57:36

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en FOM-instituut AMOLF hebben onderzocht hoe protonen in zeer kleine volumes water trillen. Ze vergeleken daartoe de protonenbewegingen in een grote hoeveelheid water met dat in minuscule waterbolletjes van verschillende diameters – slechts miljardsten van meters groot.

Van klein naar groot
De kleine waterbolletjes zijn inverse micellen: groepjes watermoleculen die in een waterafstotend oplosmiddel bijeen kruipen en een bolletje vormen, zodat er minimaal contact is tussen het water en het oplosmiddel daaromheen. De onderzoekers maakten oplossingen waarin dergelijke bolletjes allemaal dezelfde grootte hebben en ze maten de trillingen van in het water opgeloste protonen in een extern aangelegd trillend elektrisch veld.

In een grote hoeveelheid water, waarin protonen zonder beperkingen kunnen bewegen, neemt de uitwijking van de trilling van de protonen af naarmate het externe elektrisch veld sneller trilt (een hogere frequentie heeft). In de kleine bolletjes water, met diameters van enkele nanometers, wordt de beweging van de protonen echter sterk ingeperkt. De protonbeweging heeft een specifieke resonantiefrequentie waarbij de uitwijking maximaal is. Deze frequentie bedraagt enkele gigahertz.

Ophoping
De resonantie wordt veroorzaakt doordat de bewegende protonen zich bij de wand van het waterbolletje ophopen. Als het externe elektrisch veld maar heel kort aan zou staan, zouden de protonen met een karakteristieke eigenfrequentie heen en weer trillen. In het experiment blijft het elektrische veld aanstaan, maar verandert het wel voortdurend van richting. Wanneer de tijd tussen elke richtingverandering overeenkomt (dus resonant is) met de omkeertijd van de spontane protontrilling, bewegen de protonen met een maximale uitwijking. Bij kleinere volumes hopen protonen zich sneller op, wat de resonantiefrequentie verhoogt.

De hoogte van de resonantiefrequentie hangt echter ook af van hoe snel protonen in het waterbolletje kunnen bewegen.  Als de protonen zich heel moeizaam door het bolletje bewegen is de resonantiefrequentie laag.  Uit het meten van de resonantiefrequentie  bleek dat de bewegingssnelheid van protonen in nanodruppels veel lager is dan in een macroscopische hoeveelheid water. Voor protonen is het water in een nanodruppel dus erg stroperig. Dit resultaat is belangrijk voor ons begrip van protontransport in celorganellen en membranen van brandstofcellen.