Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

"Elektrisches Prisma" trennt Wasser

08.09.2014

Mit Hilfe eines "elektrischen Prismas" haben Forscher einen Weg gefunden, um Wassermoleküle nach dem Kernspin zu sortieren. Da Wasser von fundamentaler Bedeutung im Universum ist, kann die Arbeit einer Vielzahl von Forschungsgebieten nützen, von der Biologie bis zur Astrophysik. Das Forscherteam vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science CFEL stellt seine Ergebnisse im Fachblatt "Angewandte Chemie" vor. Das CFEL ist eine Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

Auf den ersten Blick ist Wasser (H2O) ein einfaches Molekül, in dem ein einzelnes Sauerstoffatom (O) an zwei Wasserstoffatome (H) gebunden ist. Etwas komplexer wird die Situation unter Beachtung des Kernspins des Wasserstoffs. Der Spin ist eine grundlegende Eigenschaft, die oft mit einer Art Eigenrotation des Atomkerns verglichen wird. Der Spin eines einzelnen Wasserstoffatomkerns kann dabei nur zwei Zustände annehmen, die in der Physik als "up” und "down” bezeichnet werden (vergleichbar mit einer Rotation gegen und im Uhrzeigersinn).


Ein elektrisches Feld (blauer Aufbau links) wirkt auf die Wassermoleküle wie ein Prisma und trennt so Para- und Ortho-Wasser. Illustration: Daniel A. Horke, CFEL/DESY

Entsprechend können die beiden Wasserstoffatomkerne in einem Wassermolekül entweder denselben oder den entgegengesetzten Spin besitzen. Haben die Spins der Wasserstoffkerne dieselbe Orientierung, spricht man von Ortho-Wasser, sind sie entgegengesetzt, heißt es Para-Wasser.

Ohne äußere Einflüsse verbieten grundlegende Symmetrieregeln die Umwandlung von Para- in Ortho-Wasser und umgekehrt. "Hätte man eine magische Flasche mit isolierten Para- und Ortho-Molekülen, würden diese für immer in ihrem Spin-Zustand bleiben", erläutert Prof. Jochen Küpper, der die Studie geleitet hat. "Sie sind im Prinzip unterschiedliche Molekülarten, unterschiedliche Sorten Wasser."

In der realen Welt sind Wassermoleküle allerdings nicht isoliert, sondern stoßen ständig mit anderen Molekülen und Oberflächen in ihrer Umgebung zusammen, was ihre Kernspins verändern kann. "Durch diese Wechselwirkungen können sich Para- und Ortho-Wasser tatsächlich leicht ineinander umwandeln", sagt DESY-Forscher Küpper, der auch Professor an der Universität Hamburg und Mitglied im Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI) ist. "Daher ist es eine große Herausforderung, sie zu trennen und Wasser zu produzieren, das nicht eine Mischung beider Sorten ist."

Den CFEL-Forschern gelang jetzt genau diese Sortierung in Para- und Ortho-Wasser im Labor. Die Wissenschaftler befüllen dazu eine Edelgas-Hochdruckkammer mit einem Tropfen Wasser. Das Edelgas-Wasser-Gemisch schießt dann durch ein gepulstes Ventil in eine Vakuumkammer. "Durch den großen Druckunterschied dehnt sich das Gas im Vakuum sehr schnell aus, wenn sich das Ventil öffnet", erläutert DESY-Forscher Dr. Daniel Horke, Hauptautor der Studie. "Es reißt Wassermoleküle mit sich und kühlt sie dabei stark ab."

Es entsteht ein gebündelter Strahl ultrakalter Wassermoleküle, die mit Überschallgeschwindigkeit durch die Kammer fliegen und dabei so verdünnt sind, dass einzelne Moleküle nicht mehr miteinander kollidieren. Auf diese Weise wird die Umwandlung der Para- und Ortho-Spinzustände ineinander vermieden.

Den gebündelten Molekülstrahl schicken die Forscher dann durch ein starkes elektrisches Feld, das die Wassermoleküle von ihrer ursprünglichen Flugbahn ablenkt und wie eine Art Prisma für Kernspinzustände funktioniert. "Para- und Ortho-Wasser werden von dem elektrischen Feld unterschiedlich abgelenkt", erläutert Horke. "Das ermöglicht uns, sie räumlich zu trennen und reine Para- und Ortho-Proben zu erzeugen."

Die spektroskopische Untersuchung zeigte eine Reinheit der Proben von rund 74 Prozent für Para-Wasser und mehr als 97 Prozent für Ortho-Wasser. Vor allem für Para-Wasser lassen sich diese Werte noch deutlich verbessern, wie Horke betont. Die Speicherung des getrennten Wassers war nicht Ziel der Studie.

Die Methode könnte für Untersuchungen einer ganzen Reihe von Phänomenen nützlich sein. So hängt das Verhältnis von Ortho- zu Para-Wasserstoff von der Temperatur ab: Bei Raumtemperatur beträgt es drei zu eins und fällt mit der Temperatur. Astrophysiker gehen davon aus, dass diese Abhängigkeit auch in interstellarem Eis gilt. "Tatsächlich weicht das Verhältnis in bestimmten Regionen des Universums jedoch deutlich von der Erwartung ab", erläutert Horke. "Die genauen Gründe dafür sind unbekannt, und Laborexperimente könnten dazu neue Einblicke liefern."

In der Biologie könnte die Studie dabei helfen, die Strukturbestimmung von Proteinen zu verbessern. So rekonstruieren Forscher unter anderem mit Hilfe der Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) die Proteinstruktur anhand der Orientierung der Kernspins von Wasserstoff und anderen Atomen. "Mit Para-Wasserstoff wurde gezeigt, dass sich die Empfindlichkeit der NMR-Methode erhöhen lässt", erläutert Horke. "Die Anreicherung von Para-Wasser in der Wasserhülle eines Proteins könnte daher ein lohnender Ansatz sein, um die NMR-Spektroskopie dieser biologischen Systeme durch eine nahezu natürliche Umgebung zu verbessern."

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.

Weitere Informationen:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201405986/abstract Originalarbeit (deutsch)
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201405986/abstract Originalarbeit (englisch)

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt
22.05.2017 | Universität Basel

nachricht Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert
22.05.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Im Focus: XENON1T: Das empfindlichste „Auge“ für Dunkle Materie

Gemeinsame Meldung des MPI für Kernphysik Heidelberg, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster

„Das weltbeste Resultat zu Dunkler Materie – und wir stehen erst am Anfang!“ So freuen sich Wissenschaftler der XENON-Kollaboration über die ersten Ergebnisse...

Im Focus: World's thinnest hologram paves path to new 3-D world

Nano-hologram paves way for integration of 3-D holography into everyday electronics

An Australian-Chinese research team has created the world's thinnest hologram, paving the way towards the integration of 3D holography into everyday...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

Flugzeugreifen – Ähnlich wie PKW-/LKW-Reifen oder ganz verschieden?

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

22.05.2017 | Physik Astronomie

Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie