De Gouden KNCV Medaille 2004 is toegekend aan Huib Bakker. Bakker heeft wereldwijde erkenning gekregen voor zijn baanbrekend onderzoek naar de structuur van water. De beweging van water vindt plaats op de picoseconde schaal.
Huib Bakker (39) was eigenlijk helemaal niet van plan om water te bestuderen. Bij zijn aanstelling in 1995 als groepsleider van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) wilde Bakker oorspronkelijk waterstofbruggen in alcoholen bestuderen. Hiervoor bouwde hij een opstelling waarmee met ultrakorte pulsen infrarood licht met een golflengte van 3 micrometer heel specifiek een O-H-vibratie kan worden aangeslagen en gevolgd in de tijd. Bij wijze van test deed Bakker gedeutereerd water in de opstelling en dit gaf een goed signaal! Als eerste ter wereld was Bakker in staat om op een tijdschaal van honderd femtoseconden de dynamica van waterstofbruggen in water te volgen. Dit gaf aanleiding tot een reeks veel geciteerde publicaties in toonaangevende bladen.
Sinds december 2001 is Bakker ook als hoogleraar fysische chemie verbonden aan de Universiteit van Amsterdam. Hij is de auteur van meer dan 120 publicaties.
Hoe lukt het je om zo specifiek informatie over waterstofbruggen uit de wirwar van moleculen en verbindingen te halen?
“In het normale infrarood-spectrum zie je een brede absorptieband van de O-H strekvibratie. Deze is breed omdat de ene O-H-brug net iets langer is of gedraaid waardoor de bijbehorende energie en frequentie net iets anders is. Met een puls van de juiste frequentie kunnen we bepalen welk type waterstofbrug we willen aanslaan. Daarnaast gebruiken we HDO/ D2O-water om goed de O-H-binding in een zee van D2O-moleculen te isoleren.
We zetten een infraroodexcitatie op een bepaald molecuul, waarmee we het feitelijk labelen. De beweging van het molecuul wordt niet beïnvloed door de excitatie. Bovendien is de energie van de excitatie twintig keer kleiner dan de bindingsenergie. Je wilt zo min mogelijk het systeem verstoren om de spontane dynamica te volgen. Met een tweede puls kunnen we kijken of de excitatie er nog zit of dat deze is gedraaid of verplaatst.”
Waarom is dit niet eerder gedaan?
“Het kon niet eerder. We hebben zelf het apparaat gebouwd dat dit kon. Toen ik hier begon was de technologie net zo ver dat het zou gaan kunnen. Op een gegeven moment zijn de Titaanse saffier-versterkers ontwikkeld...”
Titaanse saffier-versterkers?!?
“Dat zijn lasers die leveren 100 femtoseconde pulsen met een golflengte van 800 nm met een behoorlijk hoge energie. De golflengte die we nodig hadden was 3 micrometer maar door de hoge energie is het mogelijk met lineaire conversietechnieken het signaal om te zetten en toch voldoende intensiteit over te houden. Bovendien moet de puls kort zijn. De processen die je wilt bestuderen, duren minder dan een picoseconde. En je moet genoeg intensiteit hebben om genoeg signaal over te houden. Deze drie eigenschappen combineren, kon voorheen niet. De eerste twee jaar dat ik hier werkte hebben we de slag gemaakt om de 800 nm pulsen om te zetten naar de juiste golflengte.”
Dat was nog een behoorlijke technische uitdaging?
“Ja, de eerste conferentie waarop we de resultaten presenteerden was redelijk sensationeel. Iedereen wilde weten hoe we de pulsen hadden gemaakt. Dat had niemand anders. Op zich is het niet zo moeilijk en nu doen tientallen groepen, het maar we waren wel de eersten die bulkeigenschappen aan water konden meten.”
Vond je wat je verwacht had te vinden? Hoe verrassend waren de resultaten?
“Sommige dingen waren wel verrassend. We hebben bijvoorbeeld gemeten bij bulkwater dat er snelle en langzame moleculen zijn. Omdat er een continu verloop is van sterkte van de waterstofbruggen zou je verwachten dat er ook een continue variatie is in de snelheid waarmee deze wordt verbroken. Dat is niet het geval. Het blijkt dat je moleculen hebt die heel langzaam draaien en een fractie die relatief snel in de rondte tollen in de vloeistof. Deze bimodale verdeling was echt verrassend.”
Wat is de reden van die bi modale verdeling?
“Dat is de volgende stap. Het idee is, en er zijn ook moleculaire dynamicasimulaties die daarop wijzen, is dat er hele kleine ijsklontjes gevormd worden in vloeibaar water. Dit zijn dus goed georganiseerde en gestructureerde clusters waarin een watermolecuul vrij goed vastzit. Maar het echte collectieve gedrag van water meten wij niet. Om de precieze reorganisatie van een netwerk te kunnen volgen, moet je onze metingen als input gebruiken voor moleculaire dynamicasimulatie. Dat is iets wat ik op termijn hoop te gaan doen. Volgende maand ga ik naar een groep in Parijs om te proberen hier wat over op te steken.”
Hoe groot is je groep eigenlijk? Heb je een vaste staf?
“Nee, ik heb geen vaste staf. Ik heb nu twee postdocs en drie promovendi. Vorig jaar zijn er ook twee mensen gepromoveerd op water overigens.”
Waar komt de belangstelling voor water vandaan?
“De motivatie is primair nieuwsgierigheid. Heel veel processen gebeuren in water die hoogstwaarschijnlijk alleen in water kunnen gebeuren. Dan denk ik bijvoorbeeld aan de biologie: de manier waarop DNA een dubbele helix vormt of de dynamische fluctuaties van eiwitten. De watermantel is hier duidelijk bij betrokken. Solvatieschillen blijken bijvoorbeeld verrassend stabiel te zijn. Het eerste laagje water zit heel vast rond een opgelost ion. Opmerkelijk is dat de waterstofbrug tussen een watermolecuul en een chlorideion zwakker is dan die tussen watermoleculen onderling, maar dat deze toch twintig keer zo lang leeft.”
Wat is de volgende stap?
“We hebben net een artikel gepubliceerd over water in wisselwerking met aceton, maar de C=O-groepen zijn heel erg verwant met de amide-groepen in eiwitten. Verder wil ik gaan kijken naar protonoverdrachtsreacties in water.”
Zou je ook direct water in een biologische cel kunnen meten?
“Ja, dat moet op zich kunnen. Als het systeem maar voldoende transparant is voor infrarood. Er zijn theorieën die zeggen dat water in een cel heel erg gestructureerd is en dat zelfs processen in een cel worden geregeld door de vloeibaarheid van het water lokaal te veranderen. Gerald Pollack beschrijft zelfs water in een cel als een gel met variabele eigenschappen. Dat moet je kunnen meten. Maar eerst gaan we cleane systemen van biomoleculen bekijken.”
Heb je nu goede leermeesters gehad? Ben je iemand schatplichtig?
“Ja, van mijn promotor Ad Lagendijk heb ik heel veel geleerd. Misschien wel het belangrijkste wat ik van hem heb geleerd is hoe de wetenschap in elkaar zit en hoe je je sociaal en professioneel in de wetenschap moet opstellen. Hij heeft me ook altijd heel erg op het hart gedrukt te blijven gaan voor kwaliteit en inhoud, en me niet te laten afleiden door politiek. Op praktisch gebied heb ik misschien nog wel het meeste geleerd van Paul Planken, met wie ik samen gepromoveerd ben. Hij wist heel veel van lasers en lasertechnieken, daar heb ik echt dingen van geleerd. Hoe een laser werkt, hoe je kleuren maakt, et cetera.”
Wil je verder nog iets kwijt? Heb je nog iets op je lever?
“Je merkt dat er in Nederland niet zo veel waardering bestaat voor fundamenteel onderzoek. De eerste de beste provincie-universiteit in Duitsland heeft meer eerstejaars natuur- en scheikunde dan heel Nederland! Dat vind ik heel zorgelijk. We hebben altijd een goede naam gehad op fundamenteel gebied, maar het lijkt helaas onvermijdelijk dat dat minder gaat worden.”
Wat zie je als de oorzaak voor deze afgenomen waardering?
“Om het heel simplistisch te zeggen: in Nederland is een enorme waardering voor het op een gemakkelijke manier snel rijk worden. Daar staat wetenschap bedrijven, zeker fundamenteel, orthogonaal op.”
Feitelijk
Delocalization of Protons in Liquid Water, H.J. Bakker en H.-K.Nienhuys, Science 297, 587 (2002)
Effects of Ions on the vibrational Relaxation of Liquid Water, M.F. Kropman en H.J. Bakker, J. Am. Chem. Soc. 126, 9135 (2004)
Orientational Dynamics of Hydrogen-bonded Phenol’, Y.L.A. Rezus, D. Madsen en H.J. Bakker J., Chem. Phys. 121, 10599 (2004)
Alexander Duyndam, C2W-7, 2005
