Wasserstoffbrücken sind von grundlegendem Interesse für die Materialwissenschaft, die Physik und die Chemie. Ein internationales Team mit Wissenschaftler*innen der Universität Bayreuth hat jetzt mit einem neuartigen Verfahren, das die Anwendung der NMR-Spektroskopie in der Hochdruckforschung ermöglicht, überraschende Erkenntnisse zur Bildung von Wasserstoffbrücken erzielt. Die in „Nature Communications“ veröffentlichten Forschungsergebnisse können ein Ansatzpunkt für das gezielte Design von Materialien sein, die symmetrische Wasserstoffbrücken enthalten und deshalb außergewöhnliche, möglicherweise technologisch interessante Eigenschaften aufweisen.

In der Natur sind Wasserstoffbrücken, eine schwache Form der chemischen Bindung, sehr weit verbreitet. Sie haben eine stabilisierende Wirkung auf größere molekulare Systeme, beispielsweise auf die Struktur der DNA als Trägerin des Erbguts. Wasserstoffbrücken bestehen immer dann, wenn ein Wasserstoffatom eine Wechselwirkung zwischen zwei Molekülen oder zwei Abschnitten eines sehr großen Moleküls vermittelt. Entscheidend sind dabei die elektrostatischen Ladungen des Wasserstoffatoms und der beiden Atome, welche die gegenüberliegenden „Brückenköpfe“ bilden. Von großem wissenschaftlichen Interesse sind Strukturen, bei denen das Wasserstoffatom in der Mitte zwischen diesen Atomen liegt. Solche symmetrischen Wasserstoffbrücken gehen in vielen Fällen einher mit außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften wie Supraleitfähigkeit oder Superionizität.

Bisher war die Forschung noch nicht zu einem vertieften Verständnis der Ursachen und Funktionsweisen von Wasserstoffbrücken und ihrer Symmetrisierung gelangt. Aufgrund einer engen Zusammenarbeit von Forscher*innen der Universität Bayreuth, der Universität Linköping und des Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research in Peking ist jetzt aber ein entscheidender Fortschritt gelungen: Erstmals wurde ein am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth entwickeltes Verfahren, das Materialproben in Diamantstempelzellen extrem hohen Drücken aussetzt und zeitgleich einer NMR-spektroskopischen Untersuchung zugänglich macht, auf Wasserstoffbrücken angewendet. So konnten, in den Laboratorien des BGI, Wasserstoffbrücken mit einer zuvor unerreichten Präzision in sehr unterschiedlichen Materialien analysiert werden: in den Eisphasen VII und X, in Magnesiumsilikat der Phase D sowie in eisenhaltigen und eisenfreien Aluminiumoxyhydrid-Verbindungen. In allen Fällen bildeten Sauerstoffatome die Brückenköpfe. Mit dem neuen Verfahren gelang es insbesondere, die räumliche Position der Wasserstoffatome zu identifzieren und die Voraussetzungen aufzuklären, unter denen eine Symmetrisierung der Wasserstoffbrücken zustande kommt.

Die Ergebnisse haben die Forscher*innen überrascht: Obwohl die chemischen Bestandteile und Strukturen der untersuchten Materialien sehr verschieden sind, zeigen die Wasserstoffbrücken zwischen Sauerstoffatomen ein sehr ähnliches Verhalten. Die Forscher*innen fanden heraus, dass die Symmetrisierung unter Druck genau dann stattfindet, wenn sich die beiden Sauerstoffatome in einem ganz bestimmten Abstand zueinander befinden. Bei diesem Abstand bewirkt der Druck, dass sich das Wasserstoffatom in der Mitte zwischen den Sauerstoffatomen befindet. Darüber hinaus zeigten die NMR-spektroskopischen Daten, dass die Symmetrisierung der Wasserstoffbrücken – anders als in der Forschung gelegentlich angenommen – keine Elektrospin-Übergänge auslöst.

„Symmetrische Wasserstoffbrücken haben sich bei unseren Untersuchungen als ein eigenständiges physikalisches Phänomen erwiesen. Sie bilden sich unabhängig von den chemischen und quantenmechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung heraus und sind auch von strukturellen Besonderheiten ihrer Umgebung unabhängig,“ resümiert Dr. Thomas Meier, Erstautor der neuen Studie. Am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth hat er in enger Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Dr. h.c. Leonid Dubrovinsky und seinem Team das neue Verfahren zur Anwendung der NMR-Spektroskopie in der Hochdruck- und Hochtemperaturforschung entwickelt. Seit 2022 arbeitet er am Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research in Peking.

„Wir wissen jetzt erheblich mehr über die physikalischen Mechanismen, die der Symmetrisierung von Wasserstoffbrücken zugrunde liegen. Anwendungen der NMR-Spektroskopie in der Hochdruckforschung ermöglichen neue Einblicke in spezielle und unerwartete Regelmäßigkeiten im Aufbau von Materialien,“ erklärt Prof. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut (BGI).