Waarom eenvoudige ideeën zo krachtig zijn?

In de vorige blog werd de stelling verdedigd dat een bruikbaar watermodel best zo eenvoudig mogelijk is. Recent ontwikkelde modellen zien water als een heterogeen mengsel maar roepen daarbij meer vragen op dan ze beantwoorden. In mijn zoektocht naar meer eenvoud botste ik op het model van Narten, Danford en Levy (ontwikkeld in de jaren '60) dat mijn beeld op water volledig veranderde.

Fig. 1 De structuur van een sneeuwvlok uitvergroot.

Hun basisidee kan niet eenvoudiger. Volgens Narten, Danford en Levy heeft vloeibaar water gewoon de structuur van ijs. Nu is de structuur van ijs op zich wel wonderbaarlijk. De watermoleculen zijn dankzij de waterstofbruggen geordend in een hexagonaal kristalrooster waarvan de symmetrieën zichtbaar worden in de schoonheid van sneeuwvlokken (zie Fig.1). Bijzonder is ook dat ijs een heel open kristalstructuur heeft, de moleculen in het rooster zitten vrij ver van elkaar. Hierdoor is er tussen deze roostermoleculen ook plaats voor extra moleculen. Zo kan een ijsrooster in theorie per twee watermoleculen, één watermolecule extra verbergen. Men noemt deze moleculen interstitiële moleculen, watermoleculen die tussen het rooster in zitten (zie Fig. 2).

Fig. 2 De blauwe watermoleculen zitten interstitieel in het ijsrooster.

In echt ijs is het aantal interstitiële moleculen natuurlijk verwaarloosbaar (ongeveer 3 per miljoen roostermoleculen), maar in water kunnen interstitiële watermoleculen wel de grotere dichtheid verklaren. Als er per 10 watermoleculen 1 extra watermolecule interstitieel zit, dan is deze vreemde eigenschap op een eenvoudige manier verklaard. De interstitiële watermoleculen kunnen zich ook niet binden aan de roostermoleculen (die hebben al hun waterstofbruggen al opgebruikt). Hierdoor is het kleine aantal gebroken waterstofbruggen in vloeibaar water gewoon het gevolg van het model. Dit lijkt te mooi om waar te zijn.

Fig. 3 X stralen spectrum van water vergeleken met het interstitieel ijs model.

Dit idee was zo voor de hand liggend dat het moeilijk is om het aan iemand toe te schrijven. Maar Narten, Danford en Levy waren de eersten die het grondig uittesten. Zo gaat dat in de wetenschap, een goed idee hebben is niet voldoende. Het idee moet ook haarscherp overeenkomen met experimentele resultaten. Narten, Danford en Levy beschikten als eersten over nauwkeurig opgemeten X-stralen spectra van zuiver water en X-stralen geven informatie over de microstructuur van stoffen. De onderzoekers vergeleken de verschillende modellen van water die in de jaren '60 populair waren met hun data (zie Fig. 3) en hun resultaten waren overduidelijk. Enkel een ijsrooster met interstitiëlen kwam goed overeen. Als je hun eerste wetenschappelijke mededeling leest (Communication to the editor 1962) dan is het duidelijk dat ze een echte doorbraak hebben. Ze willen voor hun volledige paper uitkomt (komt pas in 1967) de wetenschappelijke wereld duidelijk maken dat ze iets groots op het spoor zijn. Narten, Danford en Levy hadden het waterprobleem gekraakt.

Maar het verhaal loopt niet verder zoals verwacht. Slechts enkele groepen slaagden erin om hun interstitiële ijsmodel toe te passen en er kwamen geen nieuwe doorbraken. Andere groepen toonden aan dat er ook mengselmodellen waren die voldoen aan de X-stralen data. Het interstitiële ijsmodel werd het zoveelste model in de rij en is vandaag de dag zo goed als vergeten.

Het heeft me wel wat tijd gekost om te begrijpen waarom het model was gecrasht. Er waren een tweetal verborgen problemen. Om de data goed te laten kloppen moesten Narten en co het ijsrooster een heel klein beetje vervormen (het rooster werd hierdoor anisotroop, niet in alle richtingen hetzelfde). Dit was vreemd want er was hiervoor geen enkele fysische reden te bedenken. Maar hun tweede probleem was een stuk fundamenteler. Hun model kon ook niet goed weg met de vloeibaarheid van water. Narten, Danford en Levy kwamen uit dat het rooster zo goed als geen vrije plaatsen bevat. Vrije plaatsen zijn nodig om het ijsrooster beweeglijk te maken. Ze zaten dus met een waterstructuur die zo vast was als ijs. De beweeglijke interstitiëlen konden daar niet veel aan veranderen.

Fig. 4 In vloeibaar water zijn er ook vacante plaatsen in het rooster.

Gelukkig ben ik niet van de resultaten van Narten, Danford en Levy vertrokken. Ik gebruikte enkel hun basisidee om een elektrische eigenschap van water te verklaren, namelijk de diëlektrische constante van water (een eigenschap die aangeeft hoe goed de watermoleculen zich richten in een elektrisch veld). Ik ontwierp dus mijn eigen versie van het model en mijn resultaten waren fundamenteel anders. Er was geen spoor van anisotropie en mijn roosterstructuur bevatte wel een significant aantal lege plaatsen (zie Fig. 4). Pas door de modellen heel streng met elkaar te vergelijken, kreeg ik mijn aha-moment. Narten, Danford en Levy hadden verondersteld dat de interstitiëlen zich centraal in de holtes van het rooster bevonden. Op zich was dat gewoon een trucje om de berekeningen niet te moeilijk te maken. Ik kon evenwel aantonen dat deze veronderstelling fout was. De interstitiëlen kleven wel licht aan de roosterstructuur (via de zogenaamde 'Van de Waals krachten')  waardoor ze niet centraal in de holtes zitten. Als Narten en co deze veronderstelling laten varen dan verdwijnt ook de anisotropie en worden vacante plaatsen in het rooster wel mogelijk.

Als ik vanop een afstand naar mijn proces kijk dan valt het op hoe mijn koppig geloof in eenvoudige ideeën mij doorheen het doolhof heeft geloodst. Mijn resultaten draaien de klok 50 jaar terug. Het interstitiële ijsmodel krijgt een tweede adem en de wetenschappelijke gemeenschap moet het opnieuw bekijken. Probleem is wel dat diezelfde  gemeenschap zich ondertussen gespecialiseerd heeft in de complexe mengselmodellen. We gaan veel overtuigingskracht nodig hebben om hen in beweging te brengen. Gelukkig beschikken we over enkele krachtige wapens: 1. 'een eenvoudig idee’ (water heeft een intact ijsrooster met extra interstitiëlen en vacante roosterplaatsen) en 2. ’geen tijdsdruk’. Dankzij beiden kon ik ondertussen naast de  diëlektrische constante, ook een aantal andere elektromagnetische eigenschappen van water verklaren. Er is geen weg meer terug.