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 Qualitätskontrolle in der Immunkommunikation: Chaperone erkennen unfertige Signalmoleküle im Immunsystem
23.09.2019 | Technische Universität München

nachricht Steckt im grünen Tee ein Wirkstoff gegen Antibiotikaresistenz?
23.09.2019 | Deutsches Zentrum für Infektionsforschung

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: Fraunhofer Cluster of Excellence auf der K 2019: Frischer Wind für die Kreislaufwirtschaft von Kunststoffen

Der weltweite Eintrag von Kunststoffen in die Umwelt muss gestoppt werden. Wie ein Kunststoff beschaffen sein muss, damit er kreislauffähig, schnell und rückstandlos abbaubar wird oder im besten Fall nicht in die Umwelt gelangt, ist Thema des Fraunhofer Cluster of Excellence »Circular Plastics Economy«. Auf der K 2019 präsentieren die beteiligten fünf Fraunhofer-Institute am Beispiel Kunststoff den Forschungsansatz, der Energie- und Materialströme einer Wertstoffkette in eine zirkuläre Wirtschaftsform überführen soll. Halle 7, Stand SC1.

350 Millionen Tonnen Kunststoff wurden 2017 weltweit produziert, rund 65 Millionen Tonnen davon in Europa. Kunststoff ist unverzichtbar für...

Im Focus: 'Nanochains' could increase battery capacity, cut charging time

How long the battery of your phone or computer lasts depends on how many lithium ions can be stored in the battery's negative electrode material. If the battery runs out of these ions, it can't generate an electrical current to run a device and ultimately fails.

Materials with a higher lithium ion storage capacity are either too heavy or the wrong shape to replace graphite, the electrode material currently used in...

Im Focus: Nervenzellen feuern Hirntumorzellen zum Wachstum an

Heidelberger Wissenschaftler und Ärzte beschreiben aktuell im Fachjournal „Nature“, wie Nervenzellen des Gehirns mit aggressiven Glioblastomen in Verbindung treten und so das Tumorwachstum fördern / Mechanismus der Tumor-Aktivierung liefert Ansatzpunkte für klinische Studien

Nervenzellen geben ihre Signale über Synapsen – feine Zellausläufer mit Kontaktknöpfchen, die der nächsten Nervenzelle aufliegen – untereinander weiter....

Im Focus: Stevens team closes in on 'holy grail' of room temperature quantum computing chips

Photons interact on chip-based system with unprecedented efficiency

To process information, photons must interact. However, these tiny packets of light want nothing to do with each other, each passing by without altering the...

Im Focus: Happy hour für die zeitaufgelöste Kristallographie

Ein Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD), der Universität Hamburg und dem European Molecular Biology Laboratory (EMBL) hat eine neue Methode entwickelt, um Biomoleküle bei der Arbeit zu beobachten. Sie macht es bedeutend einfacher, enzymatische Reaktionen auszulösen, da hierzu ein Cocktail aus kleinen Flüssigkeitsmengen und Proteinkristallen angewandt wird. Ab dem Zeitpunkt des Mischens werden die Proteinstrukturen in definierten Abständen bestimmt. Mit der dadurch entstehenden Zeitraffersequenz können nun die Bewegungen der biologischen Moleküle abgebildet werden.

Die Funktionen von Biomolekülen werden nicht nur durch ihre molekularen Strukturen, sondern auch durch deren Veränderungen bestimmt. Mittels der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größte internationale Konferenz zur Erforschung von Gebärdensprachen an der Universität Hamburg

23.09.2019 | Veranstaltungen

92. Neurologie-Kongress: Mehr als 6500 Neurologen in Stuttgart erwartet

20.09.2019 | Veranstaltungen

Frische Ideen zur Mobilität von morgen

20.09.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neues Analyse-Tool für Datenbankmanagementsysteme: Mowgli weist den Weg im Datenbanken-Dschungel

23.09.2019 | Informationstechnologie

Fraunhofer Cluster of Excellence auf der K 2019: Frischer Wind für die Kreislaufwirtschaft von Kunststoffen

23.09.2019 | Messenachrichten

Qualitätskontrolle in der Immunkommunikation: Chaperone erkennen unfertige Signalmoleküle im Immunsystem

23.09.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics