Potentialflächen einzelner Wassermoleküle kartiert

Wasser spielt In allen biologischen und vielen chemischen Prozessen eine entscheidende Rolle. Die Wasser­moleküle selbst bergen kaum noch ein Geheimnis. Aber zwischen der Kenntnis des einzelnen Moleküls und dem Wissen über die makro­skopischen Phänomene klafft ein weiter Bereich des Ungefähren: Ausgerechtet über das Verhalten der einzelnen Moleküle in ganz normalem flüssigem Wasser ist nur Statistisches bekannt, die Wassermoleküle bilden ein fluk­tuierendes Netz aus Wasserstoff­brücken, ungeordnet und dicht und ihre Wechselwirkungen sind überhaupt nicht so gut verstanden wie im gasförmigen Zustand.

Nun hat ein Team um die Annette Pietzsch am Helmholtz Zentrum Berlin hochreines, flüssiges Wasser bei Zimmer­temperatur und normalem Druck unter die Lupe genommen. Mit Röntgen­untersuchungen an der Swiss Light Source des Paul Scherrer Instituts und statistischen Modellierungen ist es den Forschenden erstmals gelungen, die Potential­flächen der einzelnen Wassermoleküle im Grundzustand zu kartieren, die je nach Umgebung vielfältige Gestalt annehmen.

„Das Besondere ist hier die Methode: Wir haben die Wasser­moleküle an der Adress-Beamline mit resonanter inelastischer Röntgen­streuung untersucht. Einfach ausgedrückt haben wir einzelne Moleküle nur ganz vorsichtig angeschubst und dann gemessen, wie sie in den Grundzustand zurückfallen“, sagt Pietzsch. Die nieder­energetischen Anregungen führten zu Streck­schwingungen und anderen Vibrationen, durch die sich – kombiniert mit Modell­rechnungen – ein detailliertes Bild der Potentialoberflächen ergab. „Damit haben wir eine Methode, um experi­mentell die Energie eines Moleküls in Abhängigkeit von seiner Struktur zu ermitteln“, erläutert Pietzsch. „Das hilft, die Chemie im Wasser zu verstehen, also auch mehr zu durchblicken, wie sich Wasser als Lösungsmittel verhält.“

Die nächsten Experimente sind schon in Vorbereitung, und zwar an der Röntgen­quelle Bessy II in Berlin. Dort hat Annette Pietzsch mit ihrem Team die Messstation „Metrixs“ aufgebaut, die genau dafür konzipiert ist, flüssige Proben mit RIXS-Experimenten zu untersuchen. „Nach den Wartungs­arbeiten im Sommer starten wir mit ersten Tests der Mess­instrumente.“

HZB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Pietzsch et al.: Cuts through the manifold of molecular H₂O potential energy surfaces in liquid water at ambient conditions, Proc. Nat. Ac. Sc. 119, e2118101119 (2022); DOI: 10.1073/pnas.2118101119
• Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung, Helmholtz Zentrum Berlin