Tanz der Wassermoleküle

Flüssiges Wasser wird von einem hochdynamischen Netz starker Wasser­stoff­ver­bin­dungen durch­zogen. Den Bewe­gungen von Mole­külen in diesem Netz liegen funda­mentale physi­ka­lische und chemische Phäno­mene zugrunde. Chemische Prozesse wie Protonen­transfer und physi­ka­lische Prozesse wie Energie­verluste werden gelenkt durch die Inter­aktion zwischen Bewe­gungen inner­halb von Mole­külen und durch Bewe­gungen von Mole­külen unter­ein­ander.

Kürzlich haben Wissenschaftler des MPI für Polymerforschung in Mainz mit Hilfe einer neu­artigen Spektro­skopie­technik einen grund­legenden mecha­nischen Ein­blick in diese Kopp­lung interner und externer mole­ku­larer Bewe­gungen im Wasser gegeben. Hier­für haben sie die zwei­dimen­sio­nale sicht­bare Ultra­breit­band-Tera­hertz-Infra­rot-Spektro­skopie ent­wickelt, kurz 2D-TIRV-Spektro­skopie genannt. „Wir haben Infra­rot-Impulse mit Ultra­breit­band-Tera­hertz-Impulsen kombi­niert, um diese zwei­dimen­sio­nale Spektro­skopie zu ent­wickeln. So können wir messen, wie die innere Bewegung eines Wasser­moleküls direkt an die Bewe­gungen des um­liegenden Wasser­stoff­brücken-Netz­werks gekoppelt ist", sagte Maksim Grechko vom MPI für Polymer­forschung.

Durch die Kombination der experimentellen Ergebnisse der 2D-TIRV-Spektro­skopie mit hoch­modernen mole­ku­laren Berech­nungen zur Dynamik haben Grechko und seine Mit­arbeiter die Art der Kopp­lung zwischen den inter­mole­ku­laren und intra­mole­ku­laren Koordi­naten in den Wasser­molekül-Ensembles geklärt. Sie haben heraus­ge­funden, dass die Änderung der Länge der Ver­bindung zwischen Sauer­stoff und Wasser­stoff in einem Wasser­molekül direkt an zwei Arten einer gegen­seitigen Bewegung von nahe gelegenen Wasser­mole­külen gekoppelt ist. Die erste Art solcher inter­mole­ku­laren Bewegungen ist die Änderung der Länge der Wasser­stoff­ver­bin­dungen, die die Mole­küle verbinden. Und die zweite Art ist eine komplexe regen­schirm­artige Bewegung von wenigen Wasser­mole­külen gemein­sam.

„Die neu entwickelte 2D-TIRV-Spektroskopie-Technik bietet eine auf­regende Möglich­keit, um neue Ein­blicke zu erhalten in die Kopp­lung zwischen Bewegungen inner­halb eines Moleküls und in die gesamte Bewegung der Molekül­gruppe“, betont Mischa Bonn vom MPI für Polymer­forschung. „Mit der Nutzung dieser Spektro­skopie erwarten wir viele neue und spannende Erkennt­nisse in der Zukunft." Die Technik kann genutzt werden, um die Hetero­genität und Homo­genität des Wassers in der Nähe von Ionen, Osmo­lyten und Bio­mole­külen wie beispiels­weise Proteinen zu ent­hüllen. Daher setzen Grechko und sein Team ihre wissen­schaft­liche Arbeit und tech­nische Ent­wick­lung fort, um weitere Unter­suchungen zur Struktur und Dynamik von Wasser­mole­külen durch­zu­führen.

MPIP / RK