Eenzame watermoleculen in olie blijken dirigenten in de supramoleculaire chemie

Het vakgebied van de supramoleculaire chemie wordt vaak getrakteerd op onvoorspelbare uitkomsten. Een Amerikaanse onderzoeker van de TU Eindhoven kwam door een gebroken verzegeling op het spoor van de oorzaak: het weer. Of nauwkeuriger: de luchtvochtigheid. Die bepaalt namelijk de verwaarloosbaar geachte concentratie water in het oplosmiddel olie. Uit onderzoek blijkt nu dat die eenzame watermoleculen niet slechts toeschouwers zijn, maar  supramoleculaire processen in oliën sturen. Hierdoor moet veel onderzoek opnieuw onder de loep, maar chemici krijgen ook een krachtig nieuw instrument in handen. De resultaten staan in Nature.

Postdoctoraal onderzoeker Nathan van Zee was in september 2016 een weekje op bezoek bij zijn ouders in Florida. Maar in gedachten was hij vaak in zijn lab op de TU Eindhoven, want daar zag hij al maanden iets dat hij niet kon verklaren. De moleculaire helix die hij maakte, werd soms linksdraaiend, en andere keren rechtsdraaiend. Dat verschil in structuur is belangrijk, want het kan het verschil maken tussen bijvoorbeeld een werkend en een niet-werkend medicijn. Van Zee had al van alles geprobeerd, maar hij kreeg er geen grip op.

Na de terugvlucht uit de VS dook Van Zee meteen het lab in en zette een proef aan, om daarna een uurtje te gaan slapen. Maar door zijn jetlag stelde hij de proef verkeerd in, en hij sliep door zijn wekker heen. Zijn aha-moment, dat hem uiteindelijk een publicatie in Nature opleverde, kwam de volgende dag. Terug in het lab zag hij dat de verzegeling van zijn bereiding gebarsten was, door de verkeerde instelling. Ook zag hij weer rare meetwaarden, maar dit keer had hij een belangrijke hint: de ultradroge lucht uit de omsluitende kast was erbij gekomen, door de gebroken verzegeling.  Water zou dus wel eens de verklarende factor kunnen zijn.

Van Zee en zijn begeleider hoogleraar Bert Meijer wisten meteen dat ze iets belangrijks op het spoor waren, en besloten het fenomeen tot de bodem uit te zoeken. Ze ontdekten dat het inderdaad de waterconcentratie in de olie was, die het verschil maakte, ook al was die maar enkele ppm (deeltjes per miljoen). Vanaf een bepaalde concentratie sloeg de draairichting van de helix om.

Dit resultaat was voor de wetenschappers aanleiding om eerdere eigen onderzoeken met onverklaarbare resultaten te herbekijken, en ook daar bleek de waterconcentratie in de olie de bepalende factor. De eerdere onverklaarbare variaties in de resultaten kwamen door variaties in die waterconcentratie. Die fluctueert namelijk met de luchtvochtigheid. En de hoeveelheid water in de lucht verandert continu, door het weer. Met als gevolg dat de uitvoering van een test op dag A een heel ander resultaat kan opleveren dan op dag B.

Van Zee en zijn collega’s onthulden ook hoe het kan dat de minimale concentratie water zo’n grote invloed heeft. Watermoleculen hebben een positief en een negatief geladen zijde, en daardoor hechten watermoleculen graag aan elkaar, via een zogeheten waterstofbrug. Maar olie is hydrofoob; het stoot water af. Door deze afstoting krijgen de watermoleculen niet genoeg ruimte om te binden en zitten dus los van elkaar, verspreid. Daardoor is hun potentiële bindingsenergie beschikbaar voor andere dingen. Nu blijkt dat die energie een cruciale rol kan spelen in de vorming van supramoleculaire structuren. Dat zijn grote molecuulaggregaten gebaseerd op omkeerbare chemische bindingen - zoals bijvoorbeeld waterstofbruggen.

Met hun resultaat zadelen de Eindhovense onderzoekers hun vakgebied, en aangrenzende vakgebieden, op met een grote klus. Veel chemie wordt gedaan in of vanuit olie, dus veel onderzoek zal opnieuw tegen het licht gehouden moeten worden om het effect van water te onderzoeken. Ze vermoeden dat in andere studies veel onbegrepen veranderingen in structuur, grootte en verwerking van moleculaire structuren, inclusief polymeren, het gevolg zijn van water.

Tegelijkertijd geven ze hun vakgenoten een prachtig nieuw instrument, legt Van Zee uit. “De waterconcentratie heeft een hele sterke invloed op moleculaire processen. En die is gemakkelijk te sturen, door de luchtvochtigheid aan te passen, wat in een gesloten omgeving erg eenvoudig is. We denken dat er veel vervolgonderzoek gaat komen, ook in veel andere deelgebieden van de chemie.”