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TU Graz-Forschende entschlüsseln Verhalten von Wassermolekülen

14.01.2020

Mit einer neuen experimentellen Methode geben Forscher der TU Graz in Nature Communications erstmals Einblicke in die Bewegung von Wassermolekülen. Die Ergebnisse könnten helfen, Geräte noch robuster gegenüber rauen Umweltbedingungen zu machen.

Wasser ist eine geheimnisvolle Substanz. Sein Verhalten auf atomarer Ebene zu verstehen, bleibt eine Herausforderung für Experimentalphysikerinnen und -physiker, da die leichten Wasser- und Sauerstoffatome mit herkömmlichen experimentellen Methoden schwer zu beobachten sind.


Schematische Darstellung der Bewegung von Wassermolekülen auf einem topologischen Isolator.

© Anton Tamtögl


Anton Tamtögl (unten links) mit Forschungskollegen am Institut für Experimentalphysik der TU Graz.

© IEP/TU Graz

Das trifft vor allem zu, wenn man die mikroskopischen Bewegungen von einzelnen Wassermolekülen beobachten möchte, die innerhalb von Pikosekunden auf einer Oberfläche ablaufen.

In ihrer Arbeit „Nanoscopic diffusion of water on a topological insulator” konnten Forscher der Arbeitsgruppe "Exotic Surfaces“ des Instituts für Experimentalphysik der TU Graz gemeinsam mit Forschenden vom Cavendish Laboratory, der University of Surrey und der Aarhus University nun einen großen Fortschritt erzielen und das Verhalten von Wasser auf einem derzeit besonders interessanten Material erforschen: dem topologischen Isolator Bismuttellurid.

Bismuttellurid könnte für den Bau von Quantencomputern eingesetzt werden. Wasserdampf wäre dann ein Umwelteinfluss, dem aus Bismuttellurid gebaute Anwendungen im realen Betrieb ausgesetzt sein könnten.

Kombination aus Experiment und Theorie

Das Forschungsteam kombinierte für seine Untersuchungen theoretische Berechnungen mit einer neuen experimentellen Methode, der Helium-Spin-Echo-Spektroskopie. Dabei werden Heliumatome mit sehr niedriger Energie genutzt, die es erlauben, isolierte Wassermoleküle zu beobachten, ohne dabei deren Bewegung zu beeinflussen.

Die Forschungsgruppe fand heraus, dass sich Wassermoleküle auf Bismuttellurid gänzlich anders verhalten, als auf Standardmetallen. Auf herkömmlichen Materialien zeigen Wassermoleküle anziehende Bewegungen und bilden Ansammlungen in Form von Wasserfilmen.

Bei topologischen Isolatoren ist genau das Gegenteil der Fall: Die Wassermoleküle stoßen einander ab, und bleiben auf der Oberfläche isoliert.

Bismuttellurid scheint somit relativ unempfindlich gegenüber Wasser zu sein. Dies ist ein großer Vorteil für Anwendungen, die unter herkömmlichen Umweltbedienungen funktionieren müssen.

Weitere Experimente an ähnlich aufgebauten Oberflächen sind bereits in Planung und sollen klären ob die Bewegung der Wassermoleküle auf spezielle Eigenschaften der untersuchten Oberfläche zurückzuführen ist.

Dieser Forschungsbereich ist an der TU Graz im Field of Expertise Advanced Materials Science angesiedelt, einem von fünf wissenschaftlichen Stärkefeldern der TU Graz.

Infobox: Die Arbeit wurde auf der Website von Nature Communications unter https://www.nature.com/articles/s41467-019-14064-7 veröffentlicht.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Anton TAMTÖGL
TU Graz | Institut für Experimentalphysik
Petersgasse 16, 8010 Graz, Österreich
Tel.: +43 316 873 8143
tamtoegl@tugraz.at
iep.tugraz.at

Originalpublikation:

Tamtögl, A., Sacchi, M., Avidor, N. et al. Nanoscopic diffusion of water on a topological insulator. Nat Commun 11, 278 (2020) doi:10.1038/s41467-019-14064-7

Weitere Informationen:

https://www.tugraz.at/tu-graz/services/news-stories/medienservice/einzelansicht/... (Pressemeldung TU Graz)


https://www.tugraz.at/institute/iep/forschung/surfaces/ (Website der Arbeitsgruppe Exotic Surfaces des Instituts für Experimentalphysik der TU Graz)


https://www.tugraz.at/forschung/fields-of-expertise/advanced-materials-science/u... (Überblick Advanced Materials Science der TU Graz)

Mag., MSc Christoph Pelzl | Technische Universität Graz

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