Eine spektroskopische Technik, die auf der Oberfläche liegende Wassermoleküle herausfiltert, zeigt, wie sie sich nach einer Anregung entspannen

Ein vollständigeres Bild davon, wie angeregte Wassermoleküle an einer Schnittstelle mit Luft ihre Energie verlieren, haben RIKEN-Wissenschaftler in einer Studie entdeckt. veröffentlicht im Journal Naturkommunikation. Diese Erkenntnisse werden für ein besseres Verständnis der an Wasseroberflächen stattfindenden Prozesse von Bedeutung sein.

Wasser ist in vielerlei Hinsicht eine Anomalie. So liegen beispielsweise seine Gefrier- und Siedepunkte viel höher als erwartet und es hat als Feststoff (Eis) eine geringere Dichte als als Flüssigkeit.

Fast alle ungewöhnlichen Eigenschaften des Wassers beruhen auf schwachen Bindungen, die sich ständig zwischen benachbarten Wassermolekülen bilden und wieder auflösen. Diese als Wasserstoffbrücken bekannten Bindungen entstehen, weil Sauerstoff Elektronen stärker anzieht als Wasserstoff. Der leicht negative Sauerstoff in einem Molekül wird daher von den leicht positiven Wasserstoffen in anderen Molekülen angezogen.

Aber ein winziger Teil der Wassermoleküle – die auf der Oberfläche liegen – erfährt Wasserstoffbrücken anders als andere Wassermoleküle. In ihrem Fall bildet der in die Luft ragende Arm keine Wasserstoffbrücken.

Bisher war es niemandem gelungen, herauszufinden, wie sich die Arme dieser Oberflächenmoleküle nach der Dehnung entspannen. Das liegt daran, dass es unglaublich schwierig ist, das Signal von diesen Molekülen zu isolieren.

„Wir wissen gut, wie sich Wassermoleküle im Körper einer Flüssigkeit verhalten, aber unser Verständnis über Wassermoleküle an der Grenzfläche hinkt weit hinterher“, sagt Tahei Tahara vom RIKEN-Labor für Molekularspektroskopie.

Im letzten Jahrzehnt hat ein von Tahara geführtes Team versucht, diesen Zustand zu ändern, indem es hochentwickelte Spektroskopietechniken entwickelte, um die Wechselwirkungen von Wassermolekülen auf Oberflächen zu untersuchen.

Das Team hat nun eine auf Infrarotspektroskopie basierende Technik entwickelt, die empfindlich genug ist, um festzustellen, wie sich die Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen von Oberflächenwassermolekülen entspannen.

Mithilfe dieser Technik fand das Team heraus, dass Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen, die in die Luft ragen, zunächst rotieren, ohne Energie zu verlieren. Anschließend entspannen sie sich auf ähnliche Weise wie Moleküle im Körper einer Flüssigkeit, die ein Wasserstoffbrückennetzwerk bilden.

„In diesem Sinne gibt es keinen großen Unterschied zwischen Molekülen an der Oberfläche und innerhalb der Flüssigkeit nach der Interaktion mit Nachbarn – sie durchlaufen beide denselben Entspannungsprozess“, sagt Tahara. „Diese Ergebnisse zeichnen ein umfassendes Bild davon, wie sich die Dehnung von Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen an der Wasseroberfläche entspannt.“

Tahara und sein Team wollen ihre spektroskopische Technik nun nutzen, um chemische Reaktionen zu untersuchen, die an der Grenzfläche von Wasser stattfinden.