Potentielle Energieflächen von Wasser erstmals kartiert

Wasser ist sicherlich die bekannteste Flüssigkeit der Welt. Es spielt eine entscheidende Rolle in allen biologischen und vielen chemischen Prozessen. Die Wassermoleküle selbst bergen kaum Geheimnisse. In der Schule lernen wir, dass Wasser aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen besteht. Wir kennen sogar den typischen stumpfen Winkel, den die beiden OH-Schenkel miteinander bilden. Außerdem wissen wir, wann Wasser kocht oder gefriert und wie diese Phasenübergänge mit dem Druck zusammenhängen.

Doch zwischen Fakten zu einzelnen Molekülen und einem tieferen Verständnis der makroskopischen Phänomene klafft eine große Unsicherheit: Über das Verhalten der einzelnen Moleküle in normalem flüssigem Wasser sind nur statistische Informationen bekannt. Die Wassermoleküle in der flüssigen Phase bilden ein schwankendes Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen, ungeordnet und dicht, und ihre Wechselwirkungen sind noch lange nicht so gut verstanden wie im gasförmigen Zustand.

Reines flüssiges Wasser untersucht

Nun hat ein Team um HZB-Physikerin Dr. Annette Pietzsch reines flüssiges Wasser bei Raumtemperatur und Normaldruck genauer unter die Lupe genommen. Mittels Röntgenanalyse an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des Paul Scherrer Instituts und statistischer Modellierung ist es den Wissenschaftlern gelungen, die sogenannten Potentialflächen der einzelnen Wassermoleküle im Grundzustand zu kartieren, die unterschiedlichste Formen aufweisen abhängig von ihrer Umgebung.

Schwingungen und Vibrationen gemessen

„Das Besondere dabei ist die Methode: Wir haben die Wassermoleküle an der ADRESS-Beamline mittels resonanter inelastischer Röntgenstreuung untersucht. Vereinfacht gesagt haben wir einzelne Moleküle sehr vorsichtig angestoßen und dann gemessen, wie sie in den Grundzustand zurückgefallen sind“, sagt Pietzsch . Die niederenergetischen Anregungen führten zu Streckschwingungen und anderen Schwingungen, die – kombiniert mit Modellrechnungen – ein detailliertes Bild der Potentialflächen ergaben.

„Damit haben wir eine Methode, um die Energie eines Moleküls in Abhängigkeit von seiner Struktur experimentell zu bestimmen“, erklärt Pietzsch. „Die Ergebnisse helfen, die Chemie im Wasser aufzuklären, um zum Beispiel besser zu verstehen, wie sich Wasser als Lösungsmittel verhält.“

Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ausblick: METRIXS bei BESSY II

An der Röntgenquelle BESSY II am HZB sind bereits die nächsten Experimente geplant. Dort haben Annette Pietzsch und ihr Team den Messplatz METRIXS aufgebaut, der genau auf die Untersuchung von flüssigen Proben mit RIXS-Experimenten ausgelegt ist. „Nach dem Sommerstillstand wegen Wartungsarbeiten an BESSY II werden wir mit den ersten Tests unserer Instrumente beginnen. Und dann kann es weitergehen.“