Chemieforschung: Tiefe Einblicke in die intermolekulare Energieübertragung im Wasser

Wasser ist eine für das Leben essentielle Substanz. Vor allem seine große Wärmekapazität macht Ozeane und Meere zu riesigen Wärmespeichern für die Regulierung des Erdklimas.

In lebenden Organismen macht dieselbe Eigenschaft Wasser zu einem effizienten Wärmepuffer für die Funktion biochemischer Reaktionen. Eine zentrale Rolle spielen dabei sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen.

Der Energiefluss in dem komplexen Bindungsnetzwerk ist auf molekularer Ebene allerdings bislang nicht vollständig untersucht worden. Wissenschaftlern der Universität Paderborn ist es nun gelungen, diese Bindungen nicht nur zu messen, sondern auch durch einen hochenergetischen Laser gezielt zu beeinflussen.

Ihre Ergebnisse wurden jetzt in der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.

„Primär geht es um die Frage, wie sich die durch einen Terahertz-Laser induzierte Energie in wasserstoffbrückengebundenen Flüssigkeiten verteilt, wie sich das kontrollieren und somit gezielt in chemischen Reaktionen nutzen lässt.

Ein einfaches Beispiel für solche Prozesse ist Wasser, das in der Mikrowelle erhitzt wird“, sagt Prof. Dr. Thomas Kühne vom Department Chemie, der die Studie zusammen mit seinem Kollegen Dr. Hossam Elgabarty durchgeführt hat.

Die Wissenschaftler haben mithilfe eines Terahertz-Lasers die komplexe Struktur des Netzwerks beeinflusst und damit die Strukturdynamik des Wassers bestimmt. Dazu Elgabarty:

„Um den molekularen Mechanismus der Energiedissipation, also quasi der Umwandlung in Wärme, aufzuklären und die Rolle der kollektiven intermolekularen Bewegungen in diesem Prozess zu verstehen, haben wir die Zeitskala der Energiedissipation und auch die Stärke der intermolekularen Wechselwirkungen bestimmt.“

Durch die Ergebnisse konnten die Chemiker außerdem erstmalig Hinweise auf die zuvor bereits theoretisch vorhergesagte Asymmetrie des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks liefern.

„Mithilfe des Lasers, der diese Asymmetrie wahrscheinlich gezielt hervorrufen kann, wäre es dann beispielsweise möglich, „on-water“-Reaktionen, die Gegenstand unseres „GreenOnWaterCat“ ERC-Projekts sind, zu katalysieren“, so Kühne.

Dabei handelt es sich um katalytische Prozesse, die auf Wasseroberflächen stattfinden. Wasser könnte somit nicht nur zu einem nachhaltigen, sondern auch besonders attraktiven Lösungsmittel für eine Vielzahl von relevanten Syntheseprozessen werden.

Zum Artikel: https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaay7074.full

Dr. Hossam Elgabarty, Theoretische Chemie, Tel.: 05251/ 60-5736, E-Mail: hossam.elgabarty@uni-paderborn.de

https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaay7074.full

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