Unnahbares Wasser

Forscher aus Stuttgart vermessen den Abstand zwischen Wassermolekülen und wasserabweisenden Oberflächen aufs Atom genau.

Ob Wachstuch, Regenjacke oder einfach unsere Haut – Wasser abweisende Oberflächen sind schon lange in unserem Alltag vertreten. Ein internationales Forscherteam unter Federführung des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Metallforschung hat nun auf molekularer Ebene untersucht, was an der Grenze zwischen Wasser und einem wasserabweisenden Material passiert. Dabei gelang es den Wissenschaftlern erstmals, den Spalt zwischen den Wassermolekülen und der Oberfläche mit atomarer Präzision zu vermessen: Die Lücke klafft nur etwa einen halben Nanometer auseinander. Die Forscher entlockten dem schmalen Spalt dieses Geheimnis mit Hilfe sehr intensiver Synchrotron-Röntgenstrahlung. Die Messergebnisse sind unter anderem für das Verständnis biologischer Vorgänge in Zellen von Bedeutung.

Abb.: Nanospalt zwischen den regelmäßig angeordneten Molekülen der wasserabweisenden Schicht (rechts) und Wasser (blau hinterlegt). Die Lücke ist etwa so breit wie ein Wassermolekül. (Bild: Max-Planck-Institut für Metallforschung)

Wasser perlt von wasserabstoßenden (hydrophoben) Oberflächen einfach ab. Diese hydrophoben Effekte und ihre molekularen Ursachen sind lange bekannt. Aber wie nahe die Wassermoleküle dabei der wasserabweisenden Schicht kommen, hat das internationale Forscherteam um Harald Reichert erst jetzt geklärt. Die Lücke ist etwa so breit wie ein Wassermolekül - also nur 0,2 bis 0,6 Nanometer. Vorhergehende Untersuchungen ergaben diesbezüglich zum Teil widersprüchliche Ergebnisse.

Die Stuttgarter Forscher untersuchten den extrem schmalen Nanospalt mit sehr intensiven Röntgenstrahlen. Denn die „sanftere“ Methode mit Neutronenstrahlen löste in früheren Versuchen die Strukturen nicht fein genug auf. Röntgenstrahlen dieser Art lassen sich jedoch nicht in jedem Labor erzeugen. Die Wissenschaftler brachten ihren Versuchsaufbau deshalb eigens nach Grenoble, Frankreich, zum Elektronenspeicherring der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF).

Doch der Aufwand war nicht umsonst: Mit der Röntgenmethode lösten sie erstmals das Niemandsland zwischen Wasser und der wasserabweisenden Schicht auf Bruchteile von Nanometern genau auf. Die Forscher ermittelten den Abstand aus der Reflektion des Röntgenstrahls. Als hydrophobe Oberfläche diente ihnen eine Siliziumtafel, auf der sie eine Schicht der sehr wasserabweisenden Substanz Octadecyltrichlorsilan aufbrachten. Das Material hielt allerdings dem Röntgenstrahl nur 50 Sekunden stand – die Messungen mussten dementsprechend schnell ablaufen.

Außerdem erforschten die Wissenschaftler, ob im Wasser gelöste Gase die Breite des Spalts beeinflussen. Denn schon lange diskutiert die Fachwelt, ob unpolare Gase in der Lücke Mikrobläschen bilden und sie dadurch aufblähen. Im Gegensatz zu den Ergebnissen früherer Studien stellten die Forscher nun fest, dass gelöste Gase – unabhängig von ihrer Art – die Beschaffenheit des Zwischenraums nicht verändern.

„Hydrophobe Effekte sind insbesondere für biologische Prozesse sehr bedeutend, weil sie Proteinen ihre endgültige Form verleihen“, sagt Harald Reichert. In wässriger Umgebung vergraben sich die wasserabweisenden Bestandteile eines Proteins in dessen Inneren, um nicht mit dem ungeliebten kalten Nass in Berührung zu kommen – so faltet sich das ganze Protein. In biologischen Systemen befindet sich Wasser allerdings oft in sehr kleinen Räumen, beispielsweise winzigen Poren oder Ionenkanälen, die in Zellmembranen vorkommen. „Ob die Ergebnisse der vorliegenden Studie auch für Wasser in so einem beengten Umfeld gelten, wollen wir in Zukunft untersuchen“, sagt Harald Reichert.

Quelle: MPG / [AJ]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  M. Mezger, H. Reichert, S. Schöder, J. Okasinski, H. Schröder, H. Dosch, D. Palms, J. Ralston, V. Honkimäki, High-resolution in situ x-ray study of the hydrophobic gap at the water - octadecyl-trichlorosilane interface, Proceedings of the National Academy of Sciences, online edition (20 November 2006)
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de
• Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart:
  http://www.mf.mpg.de