Es ist essenziell für alles Leben auf der Erde, und ist ein Grundbaustein auch unseres Körpers – und doch birgt es noch immer zahlreiche Geheimnisse: das Wasser. Jetzt haben Forscher mithilfe eines neuen physikalischen Modells eine Möglichkeit gefunden, die noch verborgenen Eigenschaften des H2O-Moleküls aufzudecken – und dies ohne aufwändige Laborversuche, wie sie jetzt in „Science“ berichten.
Das Wassermolekül erscheint auf den ersten Blick simpel: H2O, zwei Wasserstoffatome an ein Sauerstoffatom gebunden, fertig. Doch insbesondere in seinem flüssigen Zustand ist Wasser weitaus komplexer. „Wasser als Flüssigkeit ist ganz und gar nicht einfach und unterscheidet sich gleich in mehreren Eigenschaften von anderen Flüssigkeiten“, erklärt Krzysztof Szalewicz, Professor für Physik an der Universität von Delaware und Leiter der Studie. „Zum Beispiel in der wohlbekannten Dichtanomalie, der Tatsache, dass Wasser seiner größte Dichte bei vier Grad Celsius erreicht. Dadurch schwimmt Eis auf dem Wasser, bei anderen Verbindungen dagegen würde der feste Aggregatzustand im flüssigen sinken.“
Wasser kann zudem große Mengen von Wärme speichern, bevor es sich selbst erwärmt, und gibt diese Wärme nur langsam beim Abkühlen wieder ab. All diese einzigartigen Charakteristiken lassen sich auf die molekulare Struktur des Wassers und vor allem seine Fähigkeit zurückführen, Wasserstoffbrückenbindungen mit benachbarten Wassermolekülen zu bilden. Diese schwachen Bindungen entstehen, weil der Sauerstoff im Molekül die Elektronen der beiden Wasserstoffatome leicht zu sich herüberzieht und so eine leichte positive Ladung am Wasserstoffende des Moleküls und eine leicht negative am Sauerstoffende entsteht.
Rätsel der Wasserstoffbrückenbindung
“Lange Zeit waren sich die Wissenschaftler relativ einig darüber, dass im flüssigen Zustand jedes Wassermolekül mit ungefähr vier anderen Wassermolekülen auf diese Weise in Verbindung tritt“, so Szalewicz. „Aber 2004 erschien ein Artikel in Science, der konstatierte, dass dies nur mit zwei anderen Molekülen der Fall ist. Sollte das stimmen, wäre die gesamte Theorie des Wassers hinfällig.” Die damalige Veröffentlichung beruhte allerdings auf rein experimentellen Beobachtungen, eine theoretische Überprüfung war noch nicht erfolgt. „Die Unsicherheiten über die Struktur des flüssigen Wasser könnte endgültig beseitigt werden, wenn belegt wird, dass diese Struktur direkt aus den physikalischen Gesetzmäßigkeiten ableitbar ist““, so der Forscher.
Und genau daran machten sich die Wissenschaftler um Szalewicz. Sie erstellten ein theoretisches Gerüst auf der Basis von quantenmechanischen Phänomenen und physikalischen Gesetzmäßigkeiten, das es erlaubte, das Verhalten der Wassermoleküle Atom für Atom zu „sezieren“. Ganze Cluster von Hochleistungsrechnern waren nötig, um aus diesem Modell heraus das Wasserverhalten zu simulieren.
Verhalten auf Atom-und Molekülverbundebene aufgedeckt
“Das ist erst jetzt möglich geworden, weil schnelle Multiprozessor-Computer sehr akkurate Lösungen von quantenmechanischen Gleichungen der wirkenden Kräfte ermöglichen“, so Szalewicz. „Wenn diese Kräfte und Wechselwirkungen einmal bekannt sind, kann man die Bewegungen in einem Ensemble von Wassermolekülen identifizieren und alle Eigenschaften des Wassers berechnen.“ Trotz Hochleistungsrechnern dauerte es immerhin einige Monate, bis es dann endlich soweit war:
Das Resultat der Berechnungen ist nun ein neues Modell, dass erstmals akkurat sowohl die Eigenschaften eines Paares von einzelnen Wassermolekülen vorhersagen kann, als auch die Eigenschaften von flüssigem Wasser als Ganzem. Mithilfe des Modells können nun auch zahlreiche Anwendungen in Wissenschaft und Industrie optimiert oder neu entwickelt werden. Von der Rolle des Wassers bei biologischen Prozessen wie der Proteinfaltung bis zur Konzeption einer neuen Generation von Kraftwerken reicht nach Ansicht der Physiker die Spannbreite der möglichen Anwendungen.
(University of Delaware, 05.03.2007 – NPO)
