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Das strukturelle Gedächtnis von Wasser bleibt auf einer Pikosekunden Zeitskala bestehen

Ultraschnelle Schwingungsspektroskopie zeigt auf, dass Wasser langlebige lokale Strukturen bildet

Yuki Nagata / MPI-P

Die Lebensdauer von lokalen Wasserstrukturen kann mit ultrakurzen Laserpulsen bestimmt werden.

22.09.2015: Ein Team von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz und am FOM Institut AMOLF in den Niederlanden hat lokale Strukturen in Wasser untersucht. Die Forscher konnten zeigen, wie schnell Wassermoleküle ihre lokale Bindungskonfiguration ändern. Mit Hilfe neuartiger ultraschneller Schwingungsspektroskopie erhielten die Wissenschaftler neue Einblicke in die grundlegenden Eigenschaften von Wasser. Sie fanden auch heraus, wieso Wasser im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten derart einzigartig ist.

Durch eine neuartige Kombination von ultraschnellen Laser-Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass lokale Strukturen in Wasser länger als eine Pikosekunde fortbestehen. Diese Beobachtung verändert die generelle Wahrnehmung von Wasser als Lösungsmittel entscheidend. „Die Erdoberfläche besteht aus 71 % Wasser. Ein Großteil der chemischen und biologischen Reaktionen findet auf der Erde in Wasser oder an Wassergrenzflächen in Meeren oder Wolken statt. Deswegen ist es extrem wichtig, wie sich Wasser dort auf molekularer Ebene verhält. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Wasser auf molekularer Ebene sehr heterogen ist und aus unterschiedlichen lokalen Strukturen besteht, welche höchstwahrscheinlich sehr wichtig sind“ sagt Mischa Bonn, Direktor am MPI-P.

Wasser ist eine einzigartige Flüssigkeit und ist äußerst dynamisch. Wassermoleküle bewegen sich extrem schnell, was sie einzeln auf einer Pikosekunden Zeitskala ununterscheidbar macht. Die Existenz sehr kurzlebiger lokaler Strukturen war bekannt, damit sind zum Beispiel zwei benachbarte Wassermoleküle mit sehr kurzem oder sehr langem Abstand gemeint. Jedoch wurde allgemein angenommen, dass einzelne Wassermoleküle ihr Gedächtnis an diese Struktur in weniger als 0,1 ps verlieren.

Der Beweis für relativ langlebige lokale Strukturen gelang durch Untersuchung der Schwingung der Sauerstoff-Wasser Bindungen in Wasser. Dazu benutzten die Forscher ultraschnelle Infrarotspektroskopie und untersuchten vor allem Wassermoleküle, die sehr schwache (oder auch starke) Bindungen zu benachbarten Molekülen eingehen. Sie konnten beobachten, dass die Wassermoleküle mit schwachen Bindungen eine viel längere Schwingungslebensdauer aufweisen (bis zu ca. 1 ps) als diejenigen, die stark gebunden (bis zu ~ 0,2 ps) sind. Anders ausgedrückt: die schwachen Bindungen von Wassermolekülen bleiben über einen bemerkenswert langen Zeitraum bestehen, d.h. sie behalten ihren großen Abstand zu benachbarten Molekülen.

Originalveröffentlichung:
Sietse T. van der Post, Cho-Shuen Hsieh, Masanari Okuno, Yuki Nagata, Huib J. Bakker, Mischa Bonn & Johannes Hunger; "Strong frequency dependence of vibrational relaxation in bulk and surface water reveals sub-picosecond structural heterogeneity"; Nature Comm.; 2015

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