FOM - 11.0510

OUTPUTGEGEVENS 2010

FOM-programma nr. 118

'Proton mobility in confinement'

mei 2011

- 1 -

Inhoudsopgave van FOM-programma 'Proton mobility in confinement' (nr. 118) blz. Voortgangsverslag van de programmaleider ----------------------------------------------------- 2 Highlight uit het FOM Jaarboek 2010 --------------------------------------------------------------- 3 Fact sheet d.d. 01-01-2011 ------------------------------------------------------------------------------ 4 Historisch kwantitatief overzicht van input en output------------------------------------------ 6 Personele bezetting in 2010 ---------------------------------------------------------------------------- 7 FOM-A-28 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 Groep M. Bonn ------------------------------------------------------------------------------------------ 10

- 2 -

Voortgangsverslag van de programmaleider De programmabeschrijving is nog steeds adequaat, en de uitvoering van het programma ligt op schema: er zijn het afgelopen jaar verschillende opstellingen gebouwd: aan het AMOLF is een unieke tijdsopgeloste oppervlakte-spectrometer ontwikkeld, waarmee de dynamica van water en protonen aan oppervlakken kan worden gevolgd (Bonn), alsook een hoog-frequent (GHz-THz) dielectrische relaxatie systeem voor het bepalen van reorientatie dynamica van water rond protonen (Bakker). Aan de UvA (Woutersen) is een 2-kleuren femtoseconde infrarood-opstelling, benodigd voor experimenten om dynamica van water in nanodruppels te meten, inmiddels opgebouwd, getest en de eerste resultaten zijn behaald. In Leiden (Oosterkamp)is de AFM die met behulp van extra kleine resonatoren hele kleine krachten kan meten, operationeel. Het ontwerp van het instrument moet worden aangepast zodat er ook stromen gemeten kunnen worden, als gevolg van proton transport. Als eerste modelsysteem om geordend water op oppervlakken te bestuderen, wordt geoxideerd grafeen gebruikt. Geinverteerde micellen als model voor 0D water. Hoewel de theorie groepen van Meijer en Ensing nog geen personeel hebben aangenomen, zijn ze reeds dicht betrokken bij de experimentele projecten. Belangrijke reeds behaalde resultaten – naast het highlight – zijn de experimentele bepaling van dynamica van water rond hydrofobe groepen (Bakker, Bonn), aan oppervlakken (Bonn, Bakker), en in nano-volumes van verschillende vorm (Woutersen). Begrip van deze eigenschappen is essentieel voor het programma, omdat de reorientatie van watermoleculen een elementaire stap is bij het transport van protonen in water. In de eerste artikels die voort zijn gekomen uit het programma, hebben we de snelheid en het mechanism van water reorientatie rond hydrofobe groepen gekwantificeerd, en voor het eerst laten zien dat er twee verschillende sub-ensembles van water aan een lipide oppervlak zit. Verder blijkt water in nano-cylinders zich significant anders gedraagt dan in nano-bollen met dezelfde oppervlakte/inhoud verhouding. De stap naar de consequenties van deze observaties voor proton transport is ook reeds gezet. Er is voortdurende wisselwerking met de theoriegroepen, die zowel voorspellende als verklarende input leveren. Zowel bij het opbouwen van de opstellingen als bij de interpretatie van de experimenten is de synergie tussen de verschillende groepen in het programma telkens weer cruciaal geweest. De door het programma ontstane goede contacten zijn bovendien ook in de context van ander onderzoek al waardevol gebleken. Er is tot op heden, gezien de intensieve contacten tussen de verschillende groepen, nog geen noodzaak geweest om een formele bijeenkomst te organiseren. Als de onderzoeksteams compleet zijn, zal een proton-confinement dag georganiseerd worden.

- 3 -

- 4 -

FOM - 10.0178/2 datum: 01-01-2011 APPROVED FOM PROGRAMME Number 118. Title (code) Proton mobility in confinement (PMC) Executive organisational unit AMOLF & BUW Programme management Prof.dr. M. Bonn Duration 2010-2016 Cost estimate M€ 2.4 Concise programme description a. Objectives Main objective: elucidate the molecular-scale mechanism of proton conduction through aqueous media in confined geometries, specifically when confinement is limited to 1-dimen-sion (aqueous systems at surfaces and interfaces), 2 dimensions (water in wires and channels) and 3 dimensions (nanopools / nanodroplets). The key question is to resolve how proton hydration in general, and the interruption of the hydrogen bonded network in confined spaces in particular, affect proton conduction. b. Background, relevance and implementation Proton transfer in aqueous media is an extremely widespread and important process in nature and technology. For bulk water and bulk ice strong indications have been found that protons are not transported by ordinary diffusion, but by special conduction mechanisms that strongly resemble the mechanism of transport of holes through a semi-conductor. While the fundamen-tal principles of proton transport in a uniform bulk environment have recently been esta-blished, the most interesting and relevant aqueous proton transport processes that occur in complex, strongly confined environments, are not understood. In many cases proton conduction takes place in confined water volumes. Examples are proton transfer along (biological) membranes, in small embedded water pools within proteins, through water channels like that of the channels of nafion membranes in hydrogen fuel cells, and through trans-membrane protein pores. Our understanding of the intricate process of proton conduction in these confined geometries is essential to comprehend - and ultimately control - the many important biological and technological systems that rely on this process. Despite the apparent fundamental and technological relevance of understanding proton conduction in confinement, the molecular-scale mechanism of proton conduction has remained a largely unexplored area of research. The reason for this lag in our knowledge is clearly not the lack of relevant questions, but the limited number of experimental and theoretical techniques that are sufficiently sensitive and specific to probe proton conductivity in confined spaces. Thanks to recent advances in experimental and theoretical techniques, this study has now become possible.

- 5 -

Funding salarispeil CAO tot 01-07-2010 a. Via AMOLF *)

bedragen in k€ < 2010 2011 2012 2013 2014 2015 > 2016 Totaal

FOM-basisexploitatie 368 228 253 253 165 72 - 1.339

FOM-basisinvesteringen - - - - - - - -

Doelsubsidies NWO - - - - - - - -

Doelsubsidies derden - - - - - - - -

Totaal 368 228 253 253 165 72 - 1.339

*) De infrastructuur voor dit programma wordt grotendeels gefinancierd uit het missiebudget AMOLF. b. Via BUW

bedragen in k€ < 2010 2011 2012 2013 2014 2015 > 2016 Totaal

FOM-basisexploitatie 119 281 281 281 122 - - 1.084

FOM-basisinvesteringen - - - - - - - -

Doelsubsidies NWO - - - - - - - -

Doelsubsidies derden - - - - - - - -

Totaal 119 281 281 281 122 - - 1.084 Source documents and progress control a) Original programme proposal: FOM-09.1543 b) Ex ante evaluation: FOM-09.1708 c) Decision Executive Board: FOM-10.0176 Remarks The final evaluation of this programme will consist of a self-evaluation initiated by the programme leader and is foreseen for 2016. COH par. HOZB Subgebieden: 100% COMOP

- 6 -

Historisch kwantitatief overzicht van input en output

FOM-programma 'Proton mobility in confinement' (nr. 118) INPUT personeelsaantallen (in gerealiseerde fte) WP/V WP/T OIO NWP

totaal op activiteitenniveau (in k€ )

2010 - 0,7 1,5 0,7 456

OUTPUT proefschriften overige wetenschappe- lijke publicaties

overige producten van wetenschappelijke activiteit

vakpublicaties

2010 - 5 2 -

Promoties

2010 Geen.

- 7 -

Personele bezetting in 2010

- 8 -

Werkgroep FOM-A-28 Werkgroepleider Prof.dr. W.J. Buma Affiliatie Universiteit van Amsterdam Binnen de werkgroep actieve U(H)D's

FOM-programma Proton mobility in confinement

Titel van het project + nummer Femtsecond spectroscopy of the mechanism of aqueous proton transfer 09PMC03

FOM medewerker(s) op het project Naam Soort Personeel Datum in dienst Datum uit dienst TH van der Loop OIO 01 mrt 2010 28 feb 2014

1. Academische publicaties

a. Publicaties in gerefereede tijdschriften

Geen

b. Publicaties in proceedings c.q. andere tijdschriften

Geen

c. Bijdragen aan wetenschappelijke boeken (hoofdstukken dan wel gehele boek)

Geen

d. Proefschriften

Geen

e. Open Access publicaties

Geen

2. Voordrachten, posters, prijzen en nevenactiviteiten

a. Voordrachten op uitnodiging op internationale conferenties en bijeenkomsten

Geen

- 9 -

b. Overige voordrachten en posters op (internationale) conferenties en andere (wetenschappelijke) bijeenkomsten

Geen

c. Ontvangen prijzen

Geen

d. Bekleden van posities in organisatie congressen, wetenschappelijke samenwerkingsverbanden, adviesraden, internationale panels, redacteurschap bij tijdschriften

Geen

3. Kennisoverdracht (maatschappij en economie)

a. Octrooien

Geen

b. Contacten met de industrie (inclusief adviserende of andere functies), nieuwe bedrijvigheid naar aanleiding van het project of contacten met andere vakgebieden

Geen

c. Optredens op televisie, radio of bij publieksevenementen

Geen

d. Publicaties in buitenlandse publieke tijdschriften, kranten of internet

Geen

e. Overige professionele producten (software etc.)

Geen

- 10 -

Werkgroep Groep M. Bonn Werkgroepleider M. Bonn Affiliatie AMOLF Binnen de werkgroep actieve U(H)D's FOM-programma Proton mobility in confinement Titel van het project + nummer Proton mobiliy confinement at AMOLF 09PMC01 FOM medewerker(s) op het project Naam Soort Personeel Datum in dienst Datum uit dienst JM Hunger WP/T 01 apr 2010 30 jun 2012 L Liu TP/T 01 apr 2010 30 jun 2010 L Liu OIO 01 jul 2010 30 jun 2014 L Piatkowski OIO 01 nov 2010 31 okt 2011 MJ van Zadel TP/T 10 feb 2010 09 feb 2013 RK Campen WP/T 01 aug 2010 31 jul 2011

1. Academische publicaties

a. Publicaties in gerefereede tijdschriften

1. Klaas-Jan Tielrooij, Johannes Hunger, Richard Buchner, Mischa Bonn and Huib J. Bakker , Influence of concentration and temperature on the dynamics of water in the Hydrophobic hydration shell of tetramethylurea , Journal of the American Chemical Society, 132, 15671-15678 , 2010

2. Mischa Bonn, Huib J. Bakker, Avishek Ghosh, Susumu Yamamoto, Maria Sovago and R. Kramer Campen , Structural inhomogeneity of interfacial water at lipid monolayers revealed by surface-spacific vibrational pump-probe spectroscopy , Journal of the American Chemical Society , 132, 14971–14978 , 2010

3. R. Kramer Campen, Thuy T. M. Ngo, Maria Sovago, Jean-Marie Ruysschaert and Mischa Bonn , Molecular restructuring of water and lipids upon the interaction of DNA with lipid monolayers , Journal of the American Chemical Society , 132, 8037-8047 , 2010

4. K. J. Tielrooij, N. Garcia-Araez, M. Bonn and H. J. Bakker , Cooperativity in ion hydration, Science , 328, 1006-1009 , 2010

5. L. Piatkowski and H. J. Bakker , Vibrational relaxation pathways of Al and All modes in N-methylacetamide clusters , Journal of Physical Chemistry A , 114, 11462-11470 , 2010

b. Publicaties in proceedings c.q. andere tijdschriften

Geen

c. Bijdragen aan wetenschappelijke boeken (hoofdstukken dan wel gehele boek)

Geen

- 11 -

d. Proefschriften

Geen

e. Open Access publicaties

Geen

2. Voordrachten, posters, prijzen en nevenactiviteiten

a. Voordrachten op uitnodiging op internationale conferenties en bijeenkomsten

Geen

b. Overige voordrachten en posters op (internationale) conferenties en andere (wetenschappelijke) bijeenkomsten

1. L. Piatkowski, Inhomogeneity of water distribution at cell membrane interface, Physics@FOM, 19 jan 2010, 20 jan 2010, Veldhoven, NL

2. L. Piatkowski, Vibrational relaxation pathways of AI and AII modes in N-methylacetamide clusters, Gordon Conference on Vibrational Spectroscopy, 01 aug 2010, 01 aug 2010, Biddeford ME, USA

c. Ontvangen prijzen

Geen

d. Bekleden van posities in organisatie congressen, wetenschappelijke samenwerkingsverbanden, adviesraden, internationale panels, redacteurschap bij tijdschriften

Geen

3. Kennisoverdracht (maatschappij en economie)

a. Octrooien

Geen

b. Contacten met de industrie (inclusief adviserende of andere functies), nieuwe bedrijvigheid naar aanleiding van het project of contacten met andere vakgebieden

Geen

c. Optredens op televisie, radio of bij publieksevenementen

Geen

- 12 -

d. Publicaties in buitenlandse publieke tijdschriften, kranten of internet

Geen

e. Overige professionele producten (software etc.)

Geen