Wasser: Lebenselixier mit vielen unbekannten Eigenschaften

Die noch unbekannten Eigenschaften des Wassers an Grenzflächen wird die neue DFG-Forschergruppe „Polymorphismus, Dynamik und Funktion von Wasser an molekularen Grenzflächen“ an den Universitäten Dortmund, Bochum und Darmstadt unter die Lupe nehmen. Sie untersucht den Einfluss molekular strukturierter Grenzflächen, wie etwa großer Biomoleküle, auf die Struktur und Dynamik des Wassers und erforscht, welche Rückwirkungen sich aus seinen veränderten Eigenschaften z. B. auf biologische Systeme ergeben.

Beteiligt sind Forscher des Fachbereichs für Chemie der Universität Dortmund (Prof. Dr. Roland Winter, Prof. Dr. Alfons Geiger, PD Dr. Ralf Ludwig), der Fakultät für Chemie der Ruhr-Universität Bochum (Prof. Dr. Dominik Marx, Prof. Dr. Hermann Weingärtner) und der Experimentalphysik der Universität Darmstadt (Prof. Franz Fujara, Dr. Burkhard Geil). Ein Kollege aus dem Fachbereich Physik in Dortmund wird demnächst noch hinzukommen (Prof. Dr. Mertin Tolan). Sprecher bzw. stellvertretender Sprecher sind Prof. Winter und Prof. Weingärtner.

Wesentliche Eigenschaften sind noch unerforscht

Wasser ist unser Lebenselixier. Jeder kennt es, ob fest, flüssig oder gasförmig, und jeder trinkt es, kocht, spült und wäscht damit, schwimmt darin. Es bestimmt als Reaktionsmedium mit seinen speziellen und einzigartigen Eigenschaften alle biochemischen und physiologischen Vorgänge. Bis heute ist jedoch seine Rolle für die Struktur und Dynamik biomolekularer Systeme weitgehend unverstanden. Besonders über die Eigenschaften und die Funktion von Wasser an Grenzflächen, wie großen Biomolekülen (z.B. Protein-, Membranoberflächen), ist noch wenig bekannt. Die Forschergruppe nähert sich diesen Fragen mit experimentellen und theoretischen Methoden gleichermaßen an.

Wenig Platz – anderes Verhalten

Die Forscher beschäftigen sich mit dem Verhalten des Wassers in seiner zentralen Rolle für die Struktur, Dynamik und Funktion hydratisierter Biomoleküle. Sie studieren z. B. Wassermoleküle in Poren und Kanälen von Zellen. Dort haben sie nur wenig Platz und zeigen deshalb unterschiedlich starke Wechselwirkungen mit den Wänden. Die Struktur und Dynamik des Wasser ist daher dort anders, als man sie von der Flüssigkeit her kennt. Auch auf festen Oberflächen und inneren Grenzflächen mit unterschiedlicher chemischer und topologischer Beschaffenheit beobachten die Forscher das Wasser. Die Wechselwirkung zwischen Wasser und Grenzflächen hängt vor allem davon ab, wie glatt oder rau eine Oberfläche auf molekularer Skala ist. Manchmal können sie sogar chemisch miteinander reagieren.

Theorie und Experiment

Die Wissenschaftler bedienen sich der optischen Mikroskopie – für Strukturen, die bis zu einem zehntausendstel Millimeter klein sind -, der Rastersondenmikroskopie sowie der Röntgen- und Neutronenbeugung, die sogar die Bestimmung von Strukturen im Nanobereich bis hinunter zur Größe eines Atoms erlauben. Langsame Bewegungen studieren sie mit speziellen Methoden der Kernspinresonanz (NMR), die schnelle Dynamik mit Hilfe der Infrarot- und Ramanspektroskopie oder der Neutronenstreuung. Neben den Experimenten erlauben ihnen theoretische Simulationsmethoden die Untersuchung von Systemen mit bis zu einhunderttausend Teilchen im „virtuellen Labor“. Die enge Verknüpfung von Theorie und Experiment ist Voraussetzung für das Gelingen der Forschungsvorhaben. Die Wissenschaftler pflegen weiterhin einen intensiven Austausch mit Kollegen in der ganzen Welt. Besonders eng sind die Kontakte mit ausländischen Arbeitsgruppen, die an derselben Thematik arbeiten und von eigenen nationalen Förderprogrammen unterstützt werden. Zu den Kooperationspartnern gehört auch Prof. H.E. Stanley von der Boston University, dem vor kurzem die Ehrendoktorwürde der Universität Dortmund verliehen wurde.

Materialwissenschaft profitiert auch

Die Themen der Forschergruppe tragen besonders zum molekularen Verständnis biologischer Prozesse und der biologisch-chemischen Mikrostrukturtechnik bei. Aber auch die Materialwissenschaft profitiert davon. Interessant sind hier z. B. Untersuchungen des Alterungsprozesses von Polymeren oder die Herstellung wasserabweisender Oberflächenstrukturen. Thematisch ist das Projekt zunächst für einen Zeitraum von 6 Jahren angelegt. Dabei beläuft sich das Budget allein für die ersten drei Jahre auf etwa 3 Mio. DM.

Infos:
Prof. Dr. Roland Winter, Physikalische Chemie I, Fachbereich Chemie, Universität Dortmund , Tel. 0231/755-3900, E-Mail: winter@steak.chemie.uni-dortmund.de
Prof. Dr. Dominik Marx, Lehrstuhl für Theoretische Chemie, Fakultät für Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-26485, 
E-Mail: dominik.marx@theochem.ruhr-uni-bochum.dearrieren