Naar hoofdinhoud

Bijzondere kwaliteiten van water (5) – een solide basis van moderne natuurwetenschappelijke inzichten

Bijzondere kwaliteiten van water (5) – een solide basis van moderne natuurwetenschappelijke inzichten

Natuurwetenschappelijke verklaringen voor het eigenwijze gedrag en de bijzondere kwaliteiten van water waren lange tijd onbekend, onduidelijk of onvolledig. Daarin is in de afgelopen drie decennia veel veranderd.

Download hier de pdf van dit artikel

Geschreven door Hans van Sluis (gepensioneerd watertechnoloog DHV)

“…of all known liquids, water is probably the most studied and least understood.”
Felix Franks, 1972 [1]

In vier eerdere artikelen is de intrinsieke kwaliteit van water geduid [2], [3], [4], [5]. Het eigenwijze gedrag van water en de grote verscheidenheid aan bijzondere kwaliteiten zijn tegen het einde van de twintigste eeuw in verband gebracht met de moleculaire ordening [6], [7], [8], [9]. Deze kan in water op nanoschaal behoorlijk variëren, maar is toch niet volledig chaotisch, zoals bij een ‘normale’ vloeistof. Niet alle water is, ontdaan van allerlei erin aanwezige stoffen en organismen, hetzelfde.

Een intermoleculaire structuur van water in de vorm van veronderstelde flexibele clusters werd als mogelijke verklaring gezien voor de afwijkende eigenschappen. In het hierna beschreven, deels zeer recente, fundamentele onderzoek is dit concept verder ontwikkeld en aangepast. Een en ander heeft geleid tot een verrassend en uiterst gedetailleerd natuurwetenschappelijk beeld van water. Het vraagstuk van de anomalieën geldt nu als grotendeels opgelost en er gloort beginnend inzicht in de (mogelijke) verschillen in de bio-energetische waterkwaliteit.

In dit beschouwend overzicht wordt de ontwikkeling in denken over de eigenschappen van water in de afgelopen 50 jaar geschetst. Deze ontwikkeling is nauw verweven met de opkomst van de kwantumtheorie en de toepassing ervan op alles wat vloeibaar is.

Kwantumtheorie
De opkomst van de kwantummechanica, nu ongeveer een eeuw geleden, heeft de natuurwetenschap van een volledig nieuw fundament voorzien. Dat heeft in onder meer de fysica, chemie en astronomie geleid tot een stroom van doorbraken die nog steeds niet is opgedroogd en die vele oude en nieuwe vragen omtrent de aard van de materie heeft opgehelderd. De focus lag lange tijd op stoffen in vaste toestand en op toepassingen in de materiaalkunde.

Pas in de jaren 70 van de vorige eeuw kwam er onder kwantumonderzoekers ook aandacht voor het vloeibare. Het (macroscopische) gedrag van vloeistoffen bleek echter, anders dan van de meeste vaste stoffen, niet volledig te verklaren uit de destijds bekende eigenschappen van atomen en moleculen. Vele kenmerken van de vloeistof die ons aan alle kanten omringt en doordringt – water – verschillen bovendien van wat gevonden wordt bij verbindingen die er chemisch of fysisch sterk mee verwant zijn.

afb. 1 ijsberg

Afbeelding 1. Het drijfvermogen van ijs is de bekendste anomalie van water

Deze ‘vloeistofanomalieën’ ontketenden een intensieve speurtocht naar verklaringen voor de bijzondere eigenschappen van water. Deze verliep via empirie en theoretische modellen. Materiaalkundigen, die al ruime ervaring hadden opgedaan met de toepassing van de kwantummechanica op de vaste stoffen, stonden ook aan de wieg van de moderne waterwetenschap [10].

De kwantumtheorie is een geheel van natuurkundige concepten uit het begin van de twintigste eeuw. Deze theorie stelt dat op atomaire en subatomaire schaal de grootheden energie, impulsmoment en magnetisch moment slechts in bepaalde discrete (niet-continue) waarden kunnen voorkomen. Het fenomeen heet kwantisatie, de waarden zelf worden kwanta genoemd.

Verder beschrijft de theorie dat materie en energie als een deeltje èn als een trillingsverschijnsel kunnen optreden. De methode van waarnemen is daarbij bepalend voor wat wordt waargenomen. Tussen 1920 en 1930 ontstond uit deze concepten als samenhangende wetenschappelijke discipline de kwantummechanica. Deze vormt de basis van de ‘moderne natuurkunde’ [11].

Een van de belangrijkste bouwstenen van deze moderne natuurkunde is het gegeven dat niet alle kenmerken van elementaire deeltjes met hoge nauwkeurigheid kunnen worden vastgesteld. Er is een vaste waarde voor de onzekerheid in het product van twee – paarsgewijs gekoppelde – fysische grootheden. Bij een elementair deeltje kan bijvoorbeeld van de paren plaats en snelheid en energie en levensduur slechts een van de twee grootheden exact worden bepaald. Dit is de onzekerheidsrelatie van Heisenberg, die wijst op een fundamentele onbepaaldheid in de stoffelijke natuur. Deze onbepaaldheid heeft grote consequenties voor de verschijnselen op atomaire en subatomaire schaal, en heeft indirect gevolgen voor de macroschaal van alledag, zoals het optreden van de wateranomalieën.

Afscheid van het vlakke watermolecuul
Door het abstracte, wiskundige karakter van de kwantumtheorie ontstond er bij de doorvertaling van de moderne fundamentele wetenschappelijke inzichten een achterstand onder niet-fysici. De afbeeldingen 2 en 3 weerspiegelen dit. Wetenschappers van de andere disciplines, waaronder de biologie, konden veelal nog prima uit de voeten met de klassieke benadering. Ook in de waterwetenschappen was er lang weinig aandacht voor de implicaties van de moderne natuurkunde. 

“Biology has forgotten water, or never discovered it”
Bioloog en nobelprijswinnaar Albert SzentGyörgyi, 1971

Lees externe pagina

Op de hoogte blijven?
Schrijf je in voor onze nieuwsbrief

  • Velden met een * zijn verplicht.