Hoe voelt een watermolecuul zich dat aan de grens van de vloeistoffase met één pootje, pardon proton, in de lucht hangt? Dat is wat Mischa Bonn met geavanceerde lasertechnieken probeert te achterhalen. Op 2 december reikt de KNCV hem de Gouden Medaille uit, vanwege zijn wetenschappelijke prestaties én het enthousiasme waarmee hij die wetenschap uitdraagt.
Van oogkleppen hebben kun je Mischa Bonn (1971) zéker niet beschuldigen. Ooit studeerde hij af als fysisch chemicus, maar zijn promotieonderzoek deed hij bij het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam. Sindsdien specialiseert hij zich in laseronderzoek dat qua techniek eigenlijk pure fysica is, al zijn de toepassingen wél weer erg chemisch. En het prototype van de terahertzspectrometer, die hij een jaar of tien geleden ontwikkelde, kwam tot stand aan de faculteit electrical engineering van Columbia University in New York. “Daar gebruikten ze THz-lasers om heel snelle elektrische schakelingen te maken. Mij leek het leuk om er spectroscopie mee te doen.” Sindsdien is hij altijd zelf apparatuur blijven ontwerpen om ‘onmogelijke’ metingen mogelijk te maken.
Via de fysica rolde Bonn vervolgens, helemaal aan het andere uiteinde van de exacte wetenschappen, de biomoleculaire chemie in. “Vroeger heb ik veel onderzoek gedaan naar katalyseprocessen op metaaloppervlakken. Maar op een gegeven moment ben ik benaderd door iemand die bij biologie werkt. Die had me ergens een praatje zien houden en zei goh, het zou best leuk zijn om met die oppervlaktespecifieke spectrometrie eens naar biomembranen te kijken. Dat bleek een geweldig idee.” Waarna de cirkel naar de fysische chemie vanzelf weer rond kwam. Van tussen de verhuisdozen, in zijn werkkamer in het gloednieuwe AMOLF-gebouw, haalt hij een schets tevoorschijn van een celmembraan (zie illustratie). “Kijk, het eerste ding is dat de lipide bilaag niet zomaar een doosje is met eiwitten die er hier en daar doorheen steken. Ook lipide-eiwitinteracties zijn heel belangrijk. De volgende stap is dat de watermoleculen, die er aan beide zijden omheen zweven, ook erg belangrijk zijn. In eerste instantie richtten we ons vooral op de C-H-strekvibraties van de lipiden. Maar toen bleek dat we, om die te begrijpen, eerst de interactie met water beter moesten doorgronden. En vervolgens dat we gewoon het wateroppervlak beter moesten begrijpen. Punt. En dat water is relevant voor meer dan alleen de biologie. Bijvoorbeeld voor elektrochemie en atmosfeerchemie, en in de katalyse.”
Hoe kom je iets te weten van zo’n oppervlak zonder het tegelijk te verstoren?
“De uitdaging is om die ene moleculaire laag aan het oppervlak direct te proben. Dat gaat via de sterkte van de waterstofbruggen die de watermoleculen met hun omgeving vormen. Wordt zo’n brug sterker, dan trekt hij lading weg. De originele O-H-bindingen worden daardoor zwakker, zodat hun O-H-strekvibratiefrequentie omlaaggaat. Vibratiekarakterisering zegt dus iets over die H-brugsterkte, en over de lokale omgeving van het watermolecuul.”
Om aan zo’n oppervlak te meten gebruik je sum frequency generation-spectroscopie. Leg eens uit.
“SFG is een vorm van vibratiespectroscopie met ‘rare’ selectieregels. Om een signaal te krijgen moet de symmetrie gebroken zijn. Watermoleculen hebben een O-H-strekvibratie. Infraroodlicht met de juiste frequentie grijpt aan op het dipoolmoment, dat is het algemene principe van IR- en ook van Ramanspectroscopie. In de bulk zijn de dipolen in de watermoleculen willekeurig gericht, en dan heb je er altijd wel twee die tegenover elkaar liggen. Bij gewone IR-spectroscopie tellen die dipolen op, en zie je ze allebei; bij SFG zijn ze onzichtbaar omdat ze elkaar opheffen. Alleen de H’s die als het ware door het grensvlak heen steken, hebben geen opponent. Met gewone IR verdrinkt het signaal van die ene laag in het signaal van de bulk. Zelfs als je een heel dun waterlaagje maakt, van een micrometer dik of zo, is dat nog altijd een factor 10.000 dikker dan de bovenste laag moleculen. Voor die ene monolaag moet je dus wat anders verzinnen, en dat doe je door de IR-puls te combineren met een puls in het Bij gewone IR-spectroscopie tellen die dipolen op, en zie je ze allebei; bij SFG zijn ze onzichtbaar omdat ze elkaar opheffen. Alleen de H’s die als het ware door het grensvlak heen steken, hebben geen opponent. Met gewone IR verdrinkt het signaal van die ene laag in het signaal van de bulk. Zelfs als je een heel dun waterlaagje maakt, van een micrometer dik of zo, is dat nog altijd een factor 10.000 dikker dan de bovenste laag moleculen. Voor die ene monolaag moet je dus wat anders verzinnen, en dat doe je door de IR-puls te combineren met een puls in het zichtbare gebied. Zo verander je je selectieregel. Het signaal van die 104 moleculen in de bulk verdwijnt en je ziet alleen het oppervlak.
Mede dankzij SFG kwam de hypothese van het mono moleculaire ijslaagje in de wereld. Vorig jaar prikte je in Physical Review Letters de mythe door. Hoe is dat in zijn werk gegaan?
“SFG-opnames van een normale water-luchtinterface laten drie pieken zien. De meest hoogfrequente lijkt op de gasfasevibratie van water en kun je toeschrijven aan vrije O-H-groepen die de lucht in prikken, de andere twee doen qua frequentie denken aan, respectievelijk, ijs en vloeibaar water. In 1993 is daarom geopperd dat er echt een ijsachtig laagje op het water zit. Die papers zijn in totaal 600, 700 keer geciteerd, maar de afgelopen 2 jaar hebben we dit beeld ontkracht met proefjes waarbij we een deel van de waterstofkernen vervingen door deuterium.
Het klopt gewoon niet. Het is ook eigenlijk een raar idee. Als oppervlaktechemicus wéét ik dat oppervlakten over het algemeen juist meer wanorde vertonen dan de bulk. Op ijs zit tot -30 °C juist een dun waterlaagje. Als dat thermodynamisch de meest stabiele toestand is, is het niet evident dat er bij kamertemperatuur ijs op water ligt.
De alternatieve verklaring, dat het te maken heeft met symmetrische en asymmetrische strek, blijkt ook niet te kloppen. De echte reden dat er twee pieken zijn, is dat je ook nog met de buigvibraties van het watermolecuul te maken hebt. Boventonen daarvan splitsen de strekvibratiepiek in tweeën. Helemaal consistent met alles wat we weten. Het verklaart ook dat je die pieken altijd bij dezelfde frequenties ziet, ook voor water op een grensvlak met glas of met lipiden. En nu we dit weten kunnen we ook een protocol ontwikkelen waarmee we het water wél kunnen karakteriseren zonder die koppeling met buigvibraties, namelijk met HOD in plaats van H2O.”
Die foute interpretatie heeft het lang volgehouden.
“Ze zagen over het hoofd dat SFG geen zuivere IR-spectroscopie is. Er zit óók een Raman-overgang in, en eigenlijk heeft SFG dáár meer van weg. Maar in 15 jaar heeft niemand dat gezien!”
Daar zullen niet alle vakgenoten even blij mee zijn geweest. Haat en nijd?
“Ja. E-mails, commentaren. Die auteur uit 1993 was behoorlijk kwaad. Je haalt een significant aantal papers onderuit, of interpretaties daarvan. Dat wekt heel veel weerstand op. Het feit dat je gelijk lijkt te hebben, maakt het alleen maar erger.”
Het klinkt alsof je er geen bezwaar tegen zou hebben als er wat meer hardop zou worden gediscussieerd binnen de wetenschap.
“Ik denk dat discussie heel goed is, en zelfs noodzakelijk. Wat ik publiceer is ook maar een interpretatie. Ik heb een bepaald venster op de werkelijkheid. Ik kan niet in dat waterlaagje kruipen, zeg maar. Hoe graag ik het ook zou willen. Er moet binnen de wetenschap meer worden samengewerkt, en er moet véél meer worden gediscussieerd. Ik maak te veel congressen mee waar mensen alleen hun ding presenteren. Wat je wilt is dat je sámen verder komt. Samen de wetenschap doorgronden en misschien ook meer verschijnselen controleren.”
Je was een van de eerste leden van de Jonge Akademie, de KNAW-afdeling voor wetenschappers van onder de 40 jaar. Bevalt het?
“Ja, enorm. Eerst en vooral is het ontzettend leuk om met mensen uit zo veel vakgebieden te kunnen praten over van alles en nog wat. Het zijn gewoon heel slimme mensen en ik hou van slimme mensen, al heeft mijn niet minder intelligente vrouw een verfrissend relativerende kijk op de zaak. En veel DJA-leden zitten ook in KNAW-commissies. Het is belangrijk om ons geluid daar te laten horen.”
Binnen de Jonge Akademie stond je aan de wieg van de Jongste Akademie, voor kinderen van rond de 12. Wat is het idee daarachter?
“We proberen de kinderen de klassieke onderzoekscyclus te laten doorlopen, van het formuleren van hypotheses tot het uitvoeren en rapporteren. En dan wel op een leuke, speelse manier. Niet specifiek bèta, maar over de volle De kinderen definiëren zelf hun onderzoek. Zo hebben ze bijvoorbeeld gekeken naar het koopgedrag in een supermarkt. De kinderen vroegen binnenkomende klanten wat er op hun boodschappenlijstje stond. Bij vertrek werden ze weer ondervraagd: hebt u alles kunnen vinden? En wat hebt u méér gekocht? Eindconclusie: marketing werkt. Je merkt dat kinderen zo’n onderzoek heel erg leuk vinden. En dat ze er trots op zijn.”
De laatste jaren ben je geleidelijk van Leiden naar het AMOLF verhuisd. Voel je je daar beter thuis?
“Ja. Het zit meer binnen mijn vakgebied. En ik heb hier meer mensen om mee te praten. Het is een heel stimulerende, spannende omgeving. Je hoort wel eens zeggen: verplaats alle groepsleiders apart naar verschillende universiteiten en hef het AMOLF op, dan zou je op papier niks verliezen. Maar wat je dan wél kwijtraakt is de enorme meerwaarde van een groep goede, leuke onderzoekers die heel vruchtbaar samenwerken. Dat is uniek.”
Arjen Dijkgraaf, C2W-23, 2009
