Eine neue theoretische Entwicklung klärt die elektronische Struktur von Wasser

Es besteht kein Zweifel, dass Wasser von Bedeutung ist. Ohne sie hätte das Leben nie begonnen, geschweige denn bis heute weiterbestehen – ganz zu schweigen von seiner Rolle in der Umwelt selbst, denn Ozeane bedecken über 70 % der Erde.

Doch trotz seiner Allgegenwart weist flüssiges Wasser einige elektronische Feinheiten auf, die Wissenschaftlern in Chemie, Physik und Technologie seit langem Rätsel aufgeben. Beispielsweise ist die Elektronenaffinität, also die Energiestabilisierung, die ein freies Elektron erfährt, wenn es von Wasser eingefangen wird, aus experimenteller Sicht bisher nur unzureichend charakterisiert.

Selbst die genaueste elektronische Strukturtheorie von heute konnte das Bild nicht klären, was bedeutet, dass wichtige physikalische Größen wie die Energie, mit der Elektronen aus externen Quellen in flüssiges Wasser injiziert werden können, weiterhin schwer fassbar sind. Diese Eigenschaften sind entscheidend für das Verständnis des Verhaltens von Elektronen im Wasser und könnten eine Rolle in biologischen Systemen, Umweltkreisläufen und technologischen Anwendungen wie der Umwandlung von Sonnenenergie spielen.

In einer aktuellen Studie haben die EPFL-Forscher Alexey Tal, Thomas Bischoff und Alfredo Pasquarello bedeutende Fortschritte bei der Entschlüsselung des Rätsels gemacht. Ihr Studium, veröffentlicht In Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenbefasst sich mit der elektronischen Struktur von Wasser mithilfe von Rechenmethoden, die über die heute fortschrittlichsten Ansätze hinausgehen.

Die Forscher untersuchten Wasser mit einer Methode, die auf der „Vielteilchenstörungstheorie“ basiert. Hierbei handelt es sich um ein komplexes mathematisches Rahmenwerk, mit dem die Wechselwirkungen mehrerer Teilchen innerhalb eines Systems, wie Elektronen in einem Festkörper oder einem Molekül, untersucht werden. Dabei wird untersucht, wie sich diese Teilchen gegenseitig auf ihr Verhalten auswirken, und zwar nicht isoliert, sondern als Teil einer größeren interagierenden Gruppe.

Relativ einfach ausgedrückt ist die Vielteilchenstörungstheorie eine Möglichkeit, die Eigenschaften eines Vielteilchensystems zu berechnen und vorherzusagen, indem alle komplexen Wechselwirkungen zwischen seinen Komponenten berücksichtigt werden.

Aber die Physiker optimierten die Theorie mit „Scheitelpunktkorrekturen“: Modifikationen in der Vielteilchenstörungstheorie, die die komplexen Wechselwirkungen zwischen Teilchen über die einfachsten Näherungen hinaus erklären.

Scheitelpunktkorrekturen verfeinern die Theorie, indem sie berücksichtigen, wie sich diese Wechselwirkungen auf die Energieniveaus von Teilchen auswirken, z. B. ihre Reaktion auf externe Felder oder ihre Eigenenergie. Kurz gesagt führen Scheitelpunktkorrekturen zu genaueren Vorhersagen physikalischer Eigenschaften in einem Vielteilchensystem.

Modellierung der elektronischen Eigenschaften von Wasser

Eine besondere Herausforderung stellt die Modellierung von flüssigem Wasser dar. Ein Wassermolekül enthält ein Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome, und sowohl ihre thermische Bewegung als auch die Quantennatur ihrer Kerne spielen eine Schlüsselrolle. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte bestimmten die Forscher genau die elektronischen Eigenschaften des Wassers, wie etwa sein Ionisierungspotential, seine Elektronenaffinität und seine Bandlücke. Diese Erkenntnisse sind wichtig, um zu verstehen, wie Wasser auf elektronischer Ebene mit Licht und anderen Substanzen interagiert.

„Unsere Untersuchung der Energieniveaus von Wasser bringt hochrangige Theorie mit Experimenten in Einklang“, sagt Alfredo Pasquarello. Alexey Tal betont weiter die Bedeutung der neuen Methodik: „Dank der fortgeschrittenen Beschreibung der elektronischen Struktur konnten wir auch ein genaues Absorptionsspektrum erstellen.“

Die Ergebnisse haben zusätzliche Implikationen. Die vom EPFL-Team angewandten theoretischen Entwicklungen legen den Grundstein für einen neuen, universell anwendbaren Standard zur Erzielung präziser elektronischer Strukturen von Materialien. Dies stellt ein äußerst prädiktives Werkzeug dar, das möglicherweise unser grundlegendes Verständnis der elektronischen Eigenschaften in der Wissenschaft der kondensierten Materie revolutionieren könnte, mit Anwendungen bei der Suche nach Materialeigenschaften mit spezifischen elektronischen Funktionalitäten.