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Erster Blick auf „Tauziehen“ der Wassermoleküle

Elektronenstreuung macht erstmals ultraschnelle Kontraktion der Wasserstoffbrücken sichtbar

Wassermoleküle
Mittels Elektronenstreuung haben Forscher erstmals die ultraschnelle Reaktion der Wasserstoffbrücken im Wasser auf eine Energiezufuhr beobachtet. © Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Forscher haben erstmals direkt beobachtet, wie Wassermoleküle und ihre Wasserstoffbrückenbindungen auf Energiezufuhr reagieren. Überraschend dabei: Die Wasserstoffbrücke zum Nachbarmolekül zieht sich erst kurz zusammen, bevor sie wie alle anderen Bindungen lockerer wird. Diese bestätigt die enge Kopplung von intra- und intermolekularen Reaktionen im Wasser – und könnte einige seiner Anomalien erklären, wie die Forscher in „Nature“ berichten.

Wasser ist ebenso allgegenwärtig wie rätselhaft. Denn kaum eine Substanz zeigt so viele Verhaltens-Anomalien. Dazu gehören die Dichteanomalie, die Eigendissoziation, die Bildung von Molekülklumpen im flüssigen Zustand oder Dutzende verschiedener Eisarten. Eine entscheidende Rolle für viele dieser Eigenheiten des Wassers spielen die Wasserstoffbrückenbindungen – die lose Verknüpfung der Moleküle über die Anziehung von Teilladungen an ihren Atomen.

Wassernmoleküle
Wassermoleküle sind über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft – dies beeinflusst ihr Verhalten erheblich.© gemeinfrei/ HG: Istock

Netzwerk aus komplexen Wechselwirkungen

Doch ausgerechnet das Verhalten der Wasserstoffbrücken ist beim Wasser bisher nur in Teilen bekannt. Klar ist, dass die H2O-Moleküle durch diese Bindungen ein komplex interagierendes Netzwerk bilden. Wird ein Wassermolekül beispielsweise angeregt, beginnt es nicht nur selbst zu vibrieren, sondern versetzt auch seine Nachbarn in Schwingungen. Dies beeinflusst viele chemische und physikalische Reaktionen des Wasser auf entscheidende Weise.

„Eine akkurate Beschreibung dieser ultraschnellen Vibrationsbewegungen ist daher essenziell, um die Natur der Wasserstoffbrückenbindungen zu verstehen und viele chemische Lösungsreaktionen“, erklären Jie Yang vom SLAC National Accelerator Laboratory im kalifornischen Menlo Park und seine Kollegen. Doch die bisher verwendeten spektroskopischen Methoden können das Verhalten auf Atomebene nur bedingt abbilden.

Wasser-Jet im Elektronenstrahl

Deshalb haben Yang und seine Kollegen nun einen anderen Ansatz gewählt – eine räumlich und zeitlich hochauflösende Elektronenstreuung. Dafür wird eine nur 100 Nanometer dünne Wasserfontäne in eine Vakuumkammer gepumpt. Ein kurzer Infrarot-Laserpuls führt den Wassermolekülen Energie zu uns regt sie zu Schwingungen an. Parallel dazu wird die Probe mit einem fokussierten Strahl schneller Elektronen beschossen.

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Die Vibration der Wassermoleküle und ihrer Wasserstoffbrücken erzeugt ein spezifisches Muster in den von den Molekülen abgelenkten und gestreuten Elektronen. Indem das Team dieses Streuungsmuster mit hoher zeitlicher Auflösung einfing, konnten es eine Art Highspeed-Film aus schnell aufeinanderfolgenden Schnappschüssen erstellen. Die zeitliche Auflösung lag bei weniger als 100 Femtosekunden – 100 Billiardstel Sekunden, die räumliche bei rund 0,1 Nanometern.

Ultraschnelle Kontraktion der Wasserstoffbrücke

Die Messungen enthüllten erstmals im Detail, wie die Wasserstoffbrücken zwischen drei benachbarten Wassermolekülen auf die Anregung reagieren. Demnach führt die Energiezufuhr nicht nur innerhalb des Moleküls zu Schwingungen, schon in den ersten 80 Femtosekunden reagiert auch die Wasserstoffbrücke zum nächsten Nachbarmolekül: Sie zieht sich vorübergehend um rund 0,0004 Nanometer zusammen, wie das Team berichtet.

Erst nach dieser ultraschnellen Kontraktion der Wasserstoffbrücke folgt eine deutlich langsamere Lockerung der Bindung. „Diese Abfolge von Kontraktion und Expansion der Wasserstoffbrücke erscheint kontraintuitiv“, schreiben Yang und sein Team. Denn eigentlich würde man nach der Energiezufuhr eine sofortige Ausdehnung der Bindungen erwarten.

Intramolekulare und kollektive Reaktion gekoppelt

Erklärbar sei dieses Verhalten aber durch die Wechselwirkung zwischen den intramolekularen Bindungen und dem kollektiven Netzwerk der Wassermoleküle, erklären die Wissenschaftler. Denn parallel zur ultraschnellen Lockerung der Wasserstoffbrücke beobachteten sie, wie sich innerhalb des Wassermoleküls die kovalente Bindung zwischen Sauerstoff und Wasserstoff lockerte. Diese Veränderung bewirkt im Gegenzug eine Kontraktion der nächstliegenden Wasserstoffbrücke.

„Damit muss man diese Bewegung im Kontext des intermolekularen Charakters der Wasservibration verstehen“, schreiben Yang und seine Kollegen. „Unsere Beobachtungen werfen ein ganz neues Licht auf die Kopplung der intra- und intermolekularen Vibrationen im Wasser.“ Diese Wechselwirkungen könnten – so hoffen die Forschenden – einige der ungewöhnlichen Eigenheiten des Wassers erklären.

„Die Frage ist nun, ob dieser Quanteneffekt das Missing Link in den theoretische Modellen zur Beschreibung der anomalen Eigenschaften des Wassers sein könnte“, sagt Koautor Anders Nilsson von der Universität Stockholm. (Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03793-9)

Quelle: DOE/ SLAC National Accelerator Laboratory

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