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Sonntag, 22.10.2017
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Wassertheorie ist „wasserdicht“

Wasser abweisende Oberflächen erzeugen „ausgedünnte“ Wasserschicht

Wasser ist allgegenwärtig, und doch gibt die Flüssigkeit Wissenschaftlern noch immer Rätsel auf. So war bisher unklar, wie sich die Wassermoleküle im unmittelbaren Kontakt mit hydrophoben – Wasser abweisenden – Oberflächen verhalten. Dünnen sie aus oder bleiben sie so eng gepackt wie sonst auch? Jetzt geben Forscher in der Fachzeitschrift “Physical Review Letters“ darauf eine Antwort.
Wassertropfen

Wassertropfen

Im makroskopischen Bereich ist das Ganze klar: Wenn Regen auf den frisch gewachsten Lack eines Autos fällt oder auf eine gut imprägnierte Regenjacke, perlen die Tropfen ab, ohne dass die Oberfläche benässt wird. Aber was passiert dabei auf atomarer Ebene? Eine kontrovers diskutierte Theorie geht davon aus, dass die Wassermoleküle sich von der Grenzschicht zurückziehen und so eine feine Schicht von quasi „verdünntem“ Wasser entsteht. Die Wassermoleküle in diesem Bereich sind weniger dicht gepackt als sonst.

Synchrotronenstrahlung als Messinstrument


Ein Forscherteam von der Universität von Illinois in Urbana-Champaign und dem Argonne National Laboratory der USA diese Theorie erstmals experimentell bestätigt. Dafür erstellten sie zunächst eine nahezu perfekte hydrophobe Oberfläche aus einer einatomigen Schicht von methyliertem Octadecylsilan und vermaßen dann mithilfe von Synchrotronenstrahlung die Abstände und Dichten in der Grenzschicht zwischen Wasser und Oberfläche.

„Vorherige Experimente konnten manchmal pro manchmal kontra einer Verdünnungsschicht ausgelegt werden“, erklärt Steve Granick, Professor für Materialforschung, Chemie und Physik in Urbana-Champaign. „In einigen Fällen deuteten sie auf einen engen Wasser-Feststoff-Kontakt an einigen Stellen hin, auf ‚Nanobläschen’ an anderen. Teil unserer Studie war es, herauszufinden, warum es diese Diskrepanzen in der wissenschaftlichen Literatur gibt.


Grenzbereich „ausgedünnt“


Die neuen Experimente ergaben tatsächlich eine rund ein Molekül dicke Schicht „ausgedünnten“ Wassers. Unabhängig davon, ob in dem Wasser Luft gelöst war oder nicht. Nanobläschen wurden in keinem Fall gesichtet. Nach Ansicht der Forscher ein Hinweis darauf, dass sie möglicherweise zwar vorkommen könne, aber sicher keine entscheidende Rolle für die Wasser abweisende Wirkung der Oberfläche spielen.

Die Synchrotronen-Daten belegen eindeutig die theoretische Erwartung dass Wasser, wenn es eine flache, hydrophobe Oberfläche trifft, ein so genanntes Depletion Layer ausbildet“, so die Wissenschaftler. „Im realen Umfeld, das komplexer ist als die Theorie beschreibt, erfasst sie dennoch die Essenz des Ganzen“, so Granick. „Das nächste Mal, wenn ich Tropfen auf einem Regenmantel sehe, hat sich meine Vorstellung dessen, wie die Wassermoleküle diesen Regenmantel erleben, verändert.“
(University of Illinois at Urbana-Champaign, 18.01.2007 - NPO)
 
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