27.08.2021 - SLAC National Accelerator Laboratory

Erstmals "Quantenzerrspiel" zwischen benachbarten Wassermolekülen direkt beobachtet

Studie wirft Licht auf das Netz von Wasserstoffbrücken, das dem Wasser seine seltsamen Eigenschaften verleiht

Wasser ist die am häufigsten vorkommende, aber am wenigsten verstandene Flüssigkeit in der Natur. Es zeigt viele seltsame Verhaltensweisen, die Wissenschaftler noch immer nicht erklären können. Während die meisten Flüssigkeiten dichter werden, je kälter sie sind, ist Wasser bei 39 Grad Fahrenheit, also knapp über dem Gefrierpunkt, am dichtesten. Aus diesem Grund schwimmt Eis an der Spitze eines Trinkglases, und Seen gefrieren von der Oberfläche abwärts, so dass Meereslebewesen kalte Winter überleben können. Wasser hat auch eine ungewöhnlich hohe Oberflächenspannung, die es Insekten ermöglicht, auf seiner Oberfläche zu laufen, und eine große Kapazität zur Wärmespeicherung, die die Temperaturen im Meer stabil hält.

Nun hat ein Team aus Forschern des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums, der Stanford University und der Stockholm University in Schweden erstmals direkt beobachtet, wie Wasserstoffatome in Wassermolekülen benachbarte Wassermoleküle anziehen und schieben, wenn sie mit Laserlicht angeregt werden. Ihre Ergebnisse, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, enthüllen Effekte, die wichtige Aspekte des mikroskopischen Ursprungs der seltsamen Eigenschaften von Wasser untermauern und zu einem besseren Verständnis dessen führen könnten, wie Wasser die Funktion von Proteinen in lebenden Organismen unterstützt.

"Obwohl dieser so genannte Kernquanteneffekt bereits als Hypothese für viele der merkwürdigen Eigenschaften von Wasser aufgestellt wurde, wurde er in diesem Experiment zum ersten Mal direkt beobachtet", so Anders Nilsson, Professor für chemische Physik an der Universität Stockholm, der an der Studie beteiligt war. "Die Frage ist, ob dieser Quanteneffekt das fehlende Glied in theoretischen Modellen sein könnte, die die anomalen Eigenschaften von Wasser beschreiben.

Jedes Wassermolekül enthält ein Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome, und ein Netz von Wasserstoffbrücken zwischen positiv geladenen Wasserstoffatomen in einem Molekül und negativ geladenen Sauerstoffatomen in benachbarten Molekülen hält sie alle zusammen. Dieses komplizierte Netzwerk ist die treibende Kraft hinter vielen der unerklärlichen Eigenschaften von Wasser, aber bis vor kurzem konnten die Forscher nicht direkt beobachten, wie ein Wassermolekül mit seinen Nachbarn interagiert.

"Die geringe Masse der Wasserstoffatome unterstreicht ihr quantenwellenartiges Verhalten", so Kelly Gaffney, Wissenschaftlerin am Stanford Pulse Institute am SLAC. "Diese Studie ist die erste, die direkt zeigt, dass die Reaktion des Wasserstoffbindungsnetzwerks auf einen Energieimpuls entscheidend von der quantenmechanischen Natur der Anordnung der Wasserstoffatome abhängt, die schon lange für die einzigartigen Eigenschaften von Wasser und seinem Wasserstoffbindungsnetzwerk verantwortlich gemacht wird."

Liebe deinen Nächsten

Bislang war es schwierig, diese Beobachtung zu machen, weil die Bewegungen der Wasserstoffbrückenbindungen so winzig und schnell sind. Bei diesem Experiment wurde dieses Problem durch den Einsatz der MeV-UED von SLAC überwunden, einer Hochgeschwindigkeits-"Elektronenkamera", die subtile molekulare Bewegungen durch Streuung eines starken Elektronenstrahls an Proben erkennt.

Das Forscherteam erzeugte 100 Nanometer dicke Strahlen aus flüssigem Wasser - etwa 1.000 Mal dünner als ein menschliches Haar - und versetzte die Wassermoleküle mit Infrarot-Laserlicht in Schwingungen. Dann beschossen sie die Moleküle mit kurzen Impulsen hochenergetischer Elektronen von MeV-UED.

Dadurch entstanden hochauflösende Schnappschüsse der sich verändernden atomaren Struktur der Moleküle, die sie zu einem Stop-Motion-Film aneinanderreihten, der zeigte, wie das Netzwerk der Wassermoleküle auf das Licht reagierte.

Die Schnappschüsse, die sich auf Gruppen von drei Wassermolekülen konzentrierten, zeigten, dass, wenn ein angeregtes Wassermolekül zu schwingen beginnt, sein Wasserstoffatom die Sauerstoffatome der benachbarten Wassermoleküle näher an sich heranzieht, bevor es sie mit seiner neu gewonnenen Kraft wegstößt und so den Raum zwischen den Molekülen vergrößert.

"Seit langem versuchen Forscher, das Netzwerk der Wasserstoffbrückenbindungen mit Hilfe von Spektroskopietechniken zu verstehen", sagte Jie Yang, ein ehemaliger SLAC-Wissenschaftler und jetziger Professor an der Tsinghua-Universität in China, der die Studie leitete. "Das Schöne an diesem Experiment ist, dass wir zum ersten Mal direkt beobachten konnten, wie sich diese Moleküle bewegen."

Ein Fenster zum Wasser

Die Forscher hoffen, mit dieser Methode mehr Einblicke in die Quantennatur der Wasserstoffbrückenbindungen und die Rolle, die sie bei den seltsamen Eigenschaften von Wasser spielen, sowie in die Schlüsselrolle, die diese Eigenschaften bei vielen chemischen und biologischen Prozessen spielen, zu gewinnen.

"Dies hat wirklich ein neues Fenster zur Untersuchung von Wasser geöffnet", sagte Xijie Wang, ein angesehener SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter der Studie. "Jetzt, da wir endlich sehen können, wie sich die Wasserstoffbrückenbindungen bewegen, möchten wir diese Bewegungen mit dem Gesamtbild in Verbindung bringen, das Aufschluss darüber geben könnte, wie Wasser zur Entstehung und zum Überleben des Lebens auf der Erde geführt hat und die Entwicklung von Methoden für erneuerbare Energien beeinflusst."

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