Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Erkenntnisse über Wasser bringen gewohnte Vorstellungen zu Fall

14.05.2004


Untersuchungen mit Synchrotronstrahlung deuten auf ring- oder kettenförmige Struktur hin


Struktur der ersten Koordinierungsschale von flüssigem Wasser



Struktur der ersten Koordinierungsschale von flüssigem Wasser



Wasser faszinierte schon Wissenschaftler der Antike, für sie war es eins der "Grund"-Elemente und ein Schlüssel zum Verständnis von Natur und Leben. Heute weiß zwar jedes Schulkind, dass Wasser aus zwei Elementen besteht und wir kennen unzählige lebenswichtige Prozesse, die ohne Wasser nicht stattfinden könnten. Wie wenig wir aber tatsächlich wissen, zeigen neue Ergebnisse eines Teams von zwölf Wissenschaftlern unter Anders Nilsson (Stanford Linear Accelerator Center) und Lars G.M. Pettersson (Universität Stockholm), die jetzt in Science erschienen sind (Vol 304, No. 5673). Sie beobachteten, dass in Wasser die Moleküle untereinander viel schwächer zusammenhalten als gedacht. Und weiter: "Während man bisher nicht einmal wusste, ob sich die Moleküle überhaupt irgendwie ordnen oder ob komplette Unordnung herrscht, glauben wir, dass die Wassermoleküle Ketten oder Ringe bilden", sagt Philippe Wernet, Erstautor der Studie und mittlerweile am Berliner Elektronenspeicherring BESSY. Die Aufsehen erregenden Ergebnisse könnten ein Durchbruch beim Verständnis von Wasser sein.

Wasser ist außergewöhnlich: Z.B. ist seine Dichte bei 4°C maximal, also im flüssigen statt im festen Zustand wie bei anderen Stoffen. Deswegen ist Eis leichter als Wasser und schwimmt. Auch ist es unersetzlich für die Chemie in Zellen - in keiner anderen Flüssigkeit laufen die lebenswichtigen Reaktionen so ab wie in Wasser. Diese und andere Eigenschaften zeigen, dass Wasser eine viel komplexere Flüssigkeit ist, als die einfache Formel H2O vermuten lässt!

In Eis ist jedes Molekül mit vier Nachbarn über Wasserstoffbrücken verbunden: Diese basieren auf elekt-rostatischen Kräften und verknüpfen je ein leicht positives Wasserstoffatom mit dem leicht negativen Sauerstoffatom eines Nachbarmoleküls. Da Sauerstoff zwei Wasserstoffbrücken bilden kann, Wasserstoff eine, hat jedes Wassermolekül vier Nachbarn in einer Kristallstruktur. Schmilzt Eis, brechen Wasserstoffbrücken aufgrund der thermischen Bewegung der Moleküle. Zwar halten sie auch im Wasser kurzfristig Moleküle zusammen, jedoch entstehen und brechen sie mit unglaublicher Dynamik: Jede Bindung existiert nur eine Pikosekunde (Tausendmilliardstel einer Sekunde) und die Kristallstruktur verschwindet.

Bisher glaubten Wissenschaftler, dass sich beim Schmelzen von Eis nicht "allzu viel" ändere. Obwohl niemand die Moleküle beobachten konnte, ging man davon aus, dass sie jederzeit im Schnitt 3,5 Wasserstoffbrücken bilden. Diese Zahl beruhte auf theoretischen Annahmen: Modellrechnungen liefern die bekannten Eigenschaften von Wasser (z. B. die ungewöhnlich große Wärmemenge zum Aufheizen), wenn eine durchschnittliche Bindungszahl von etwa 3,5 angenommen wird. "Mit der Röntgenabsorptions-Spektroskopie untersuchten wir erstmals die "lokale Struktur" von Wasser und fanden heraus, dass die früheren Annahmen falsch sind", sagt Philippe Wernet. Zwar beobachten auch sie bis zu vier Bindungen. Aber nur zwei sind Wasserstoffbrücken, die anderen sind wesentlich schwächer und damit instabiler. "Wir sehen auch, dass eine der beiden Wasserstoffbrücken an einem Wasserstoff-, die andere an einem Sauerstoffatom lokalisiert ist. Das ließe sich dadurch erklären, dass die Moleküle Ringe oder Ketten bilden."

Noch vor wenigen Jahren waren Strukturuntersuchungen an Wasser unmöglich. Man benötigt dazu Röntgenlicht, das den Spektralbereich um 540 eV abdeckt. Weil dieses Röntgenlicht von Luft absorbiert wird, muss der Strahl in einem evakuierten Rohr zum Experiment geleitet und das Wasser in einer seperaten Zelle in den Strahl gebracht werden. Dabei absorbiert das Fenster zwischen Zelle und Strahlrohr einen Großteil des Röntgenlichtes. Bei bisherigen Strahlungsquellen reichte die verbliebene Intensität nicht für Strukturuntersuchungen an Wasser. Erst moderne Synchrotronstrahlungsquellen wie die "Advanced Photon Source" und die "Advanced Light Source" in den USA, "MAX Lab" in Schweden und BESSY II in Berlin liefern so intensives Licht, dass genug Röntgenphotonen für die Experimente bleiben.

Die nächste Generation Röntgenlichtquellen verspricht noch weiterreichende Erkenntnisse: "Einer der wichtigsten Anwendungsbereiche künftiger Röntgenlaser wird die Untersuchung der dynamischen Prozesse bei Reaktionen in Wasser sein", sagt Philippe Wernet. Röntgenlaser wie der von BESSY geplante Freie Elektronen Laser haben nicht nur eine noch höhere Lichtintensität, sie liefern die Photonen auch in ultrakurzen Pulsen von wenigen Femtosekunden Länge (Tausendstel einer Pikosekunde, "Millionstelmilliardstel" einer Sekunde). Mit ihnen ließe sich die Dynamik von Wasser untersuchen: Zunächst bricht ein Laserpuls die vorhandenen Wasserstoffbrücken. Mit zeitlich versetzten Röntgenabsorptionsmessungen beobachtet man dann den Zustand der Moleküle. Weil die Röntgenblitze so kurz sind, erhält man eine Folge von "Momentaufnahmen", die aneinander gereiht die Entstehung der neuen Bindungen zeigen. Auch Reaktionen in Wasser, dem wichtigsten Lösungsmittel, ließen sich verfolgen. Da Wasser und die gelösten Moleküle getrennt untersucht werden könnten, bekäme man ein vollständiges Bild und könnte z.B. klären, wie Wasser an der Reaktion teilnimmt und sie beeinflusst.

Dr. Markus Sauerborn | idw
Weitere Informationen:
http://www-ssrl.slac.stanford.edu/
http://www.bessy.de/presse

Weitere Berichte zu: Bindung Molekül Röntgenlicht Wasserstoffbrücke

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Lupinen beim Trinken zugeschaut – erstmals 3D-Aufnahmen vom Wassertransport zu Wurzeln
24.07.2017 | Universität Potsdam

nachricht Pfade ausleuchten im Fischgehirn
24.07.2017 | Max-Planck-Institut für Neurobiologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: 3-D scanning with water

3-D shape acquisition using water displacement as the shape sensor for the reconstruction of complex objects

A global team of computer scientists and engineers have developed an innovative technique that more completely reconstructs challenging 3D objects. An ancient...

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Gipfeltreffen der String-Mathematik: Internationale Konferenz StringMath 2017

24.07.2017 | Veranstaltungen

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

24.07.2017 | Veranstaltungen

Recherche-Reise zum European XFEL und DESY nach Hamburg

24.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Gipfeltreffen der String-Mathematik: Internationale Konferenz StringMath 2017

24.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

24.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Lupinen beim Trinken zugeschaut – erstmals 3D-Aufnahmen vom Wassertransport zu Wurzeln

24.07.2017 | Biowissenschaften Chemie