Wasser besser verstehen

Wasser ist sicher die bekannteste Flüssigkeit der Welt. In allen biologischen und vielen chemischen Prozessen spielt Wasser eine entscheidende Rolle. Die Wassermoleküle selbst bergen kaum noch ein Geheimnis. Schon in der Schule lernen wir, dass Wasser aus einem Sauerstoff-Atom und zwei Wasserstoff-Atomen besteht. Wir kennen sogar den typischen stumpfen Winkel, den die beiden O-H-Schenkel miteinander bilden. Außerdem wissen wir natürlich, wann Wasser kocht oder gefriert und wie diese Phasenübergänge mit dem Druck zusammenhängen. Aber zwischen der Kenntnis des einzelnen Moleküls und dem Wissen über die makroskopischen Phänomene klafft ein weiter Bereich des Ungefähren: Ausgerechnet über das Verhalten der einzelnen Moleküle in ganz normalem flüssigem Wasser ist nur Statistisches bekannt, die Wassermoleküle bilden ein fluktuierendes Netz aus Wasserstoffbrücken, ungeordnet und dicht und ihre Wechselwirkungen sind überhaupt nicht so gut verstanden wie im gasförmigen Zustand.

Nun hat ein Team um die Physikerin Annette Pietzsch vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hochreines, flüssiges Wasser bei Zimmertemperatur und normalem Druck unter die Lupe genommen. Mit Röntgenuntersuchungen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts und statistischen Modellierungen ist es den Forschenden erstmals gelungen, die sogenannten Potenzialflächen der einzelnen Wassermoleküle im Grundzustand zu kartieren, die je nach Umgebung vielfältige Gestalt annehmen.

«Das Besondere ist hier die Methode: Wir haben die Wassermoleküle an der ADRESS-Strahllinie mit der Methode der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (Kurzform in Englisch: RIXS) untersucht», sagt Pietzsch. «Die ADRESS-Strahllinie mit ihrer RIXS-Experimentierstation hat eine hohe Effizienz für atomspezifische Messungen des Sauerstoffes, die ideal für empfindliche Messungen von Phononen und Vibrationen im Festkörper beziehungsweise Molekülen sind», fügt Thorsten Schmitt, Leiter der Forschungsgruppe Spektroskopie an Quantenmaterialien am Paul Scherrer Institut, hinzu. Die RIXS-Methode, die vor 15 Jahren an der SLS etabliert wurde, wird in den nächsten Jahren an zukünftigen Anlagen bei SLS 2.0 und SwissFEL zu noch höherer Empfindlichkeit weiterentwickelt werden.

«Einfach ausgedrückt haben wir einzelne Moleküle nur ganz vorsichtig angeschubst und dann gemessen, wie sie in den Grundzustand zurückfallen», sagt Pietzsch. Die niederenergetischen Anregungen führten zu Streckschwingungen und anderen Vibrationen, durch die sich – kombiniert mit Modellrechnungen – ein detailliertes Bild der Potenzialoberflächen ergab.

«Damit haben wir eine Methode, um experimentell die Energie eines Moleküls in Abhängigkeit von seiner Struktur zu ermitteln», erläutert Pietzsch. «Das hilft, die Chemie im Wasser zu verstehen, also auch mehr zu durchblicken, wie sich Wasser als Lösungsmittel verhält.»

Text auf Grundlage einer Mitteilung des Helmholtz-Zentrums Berlin