Gegenkraft zur Coulomb-Explosion

Erstmals ist es Wissenschaftlern gelungen, theoretisch nachzuweisen, dass sich stabile Hexamer-Cluster-Strukturen ausbilden können. Die Bindungs­kräfte werden durch Wasser­stoff­brücken aufgebracht, die aufgrund der spezifischen Struktur der Bindung die stark abstoßenden Coulomb-Kräfte überwinden. Die Arbeits­gruppe von Ralf Ludwig aus der physikalischen und theoretischen Chemie der Universität Rostock konnte jetzt zeigen, dass die positiv geladenen Ionen, die Kationen, in einem Cluster nicht auseinander­fliegen, sondern durch Wasser­stoff­brücken zusammen­gehalten werden.

„Wasserstoffbrücken sind sehr wichtig für unser Leben. Sie bestimmen die Struktur von Wasser, Proteinen und DNA“, erläutert Ludwig. Dass die relativ schwachen Bindungs­kräfte der Wasser­stoff­brücken aber die stark abstoßenden Kräfte zwischen gleich geladenen Teilchen kompensieren und damit eine chemische „Coulomb-Explosion“ verhindern können, hätten die Rostocker Forscher nicht gedacht.

In internationalen Kooperationen mit Yale und Houston in USA, Perth in Australien und Novosibirsk in Russland werden diese Cluster aus gleich geladenen Ionen mit unter­schiedlichen experimentellen und theoretischen Methoden untersucht. Bevorzugt werden Kationen-Cluster ausgewählt, da die Kationen auch in ionischen Flüssig­keiten Anwendung finden. Bisher konnten kationische Cluster in der Gas­phase und in der Flüssig­keit nur bis zu einer Ladung von plus vier nach­gewiesen werden. Dies gelang, weil schwach wechsel­wirkende Gegen-Ionen, in diesem Fall negative geladene Anionen die stark abstoßenden Kräfte zwischen den Kationen deutlich abschwächen können.

In einer theoretischen Untersuchung konnten die Rostocker Physiko­chemiker nun zeigen, dass verstärkte Wasser­stoff­brücken eine hoch­komplexe Ring­struktur aus sechs Kationen zusammen­halten können. Eine solches Hexamer ist sechs­fach positiv geladen. „Das Struktur­motiv ähnelt Sechs­ringen, wie wir sie von Eis, Wasser und Alkoholen her kennen“, ergänzt Ludwig.

Auch wenn solch hoch­geladene Cluster experimentell schwer nach­zuweisen sind, so liefern die Berechnungen doch wichtige Hinweise für die Erzeugung und Charakterisierung solcher Cluster aus gleich geladenen Ionen. Ziel dieser Forschung ist es, mit solchen Hexamer-Clustern die Eigenschaften ionischer Flüssig­keiten steuern zu können.

U. Rostock / DE