Warum Tropfen tropfen

Wasser bedeckt über zwei Drittel unserer Erde und bildet den Grundstoff für das Leben. Es ist allgegenwärtig und birgt doch immer noch viele Geheimnisse. Eine französische Forschungsgruppe um Michel Farizon von der Universität Lyon hat nun mit Unterstützung von Tilmann Märk von der Universität Innsbruck neue Erkenntnisse über die Bindungs­eigenschaften von Wasser veröffentlicht. Grundlage dafür war eine neue experimentelle Anordnung, die es den Forschern ermöglichte, Verdampfungs­vorgänge in winzigen Wasser­tröpfchen einzeln und im Detail zu beobachten.

„Was hier in der Molekülchemie gemacht wurde, ist vergleichbar mit dem, was in den Teilchen­beschleunigern am CERN passiert “, sagt der Ionen­physiker Tilmann Märk. „Im Labor werden ionisierte Kleinst­wasser­tröpfchen von genau definierter Größe erzeugt, auf hohe Energie beschleunigt und mit anderen Teilchen zur Kollision gebracht. Dabei wird Energie auf die Wassermoleküle übertragen, und dies führt letztlich zu einem Zerfall dieser Tröpfchen.“ Die Gruppe um Michel Farizon war nun mittels eines neuartigen Massen­spektrometers in der Lage, die einzelnen Ereignisse genau zu beobachten und zu analysieren. „Das ist einzigartig in der Molekül­physik“, ist Märk begeistert. „Meine Kollegen in Lyon sehen ganz genau, in welche Bruchstücke die Wassertröpfchen jeweils zerfallen und welche Geschwindigkeiten die entstandenen Bruchstücke dabei haben. Daraus lässt sich wiederum ermitteln, wie die Energie vor dem Zerfall in den Tröpfchen verteilt war.“

Wie die Messergebnisse zeigen, verteilt sich auch in sehr kleinen Wassertröpfchen aus zwei bis acht Molekülen die bei Kollisionen aufgenommene Energie sehr rasch über alle Teilchen. Diese für makroskopische Wassertropfen typische Maxwell-Boltzmann-Verteilung ist also selbst in Nanotröpfchen zu beobachten. Die Wissenschaftler um Michel Farizon fanden aber außerdem einen nicht-statistischen Anteil, der in diesem Experiment erstmals nachgewiesen und gemessen werden konnte. Den Ursprung dieser sogenannten nicht-ergodischen Ereignisse konnten die Forscher mit Hilfe von quantenmechanischen Berechnungen erklären.

„Diese Messungen liefern uns einen tiefen Einblick in die Eigenschaften von Wasser­stoff­brücken­bindungen, die die Wassertröpfchen im Innersten zusammenhalten bzw. für den Energie­transfer innerhalb der Tröpfchen verantwortlich sind“, resümiert Tilmann Märk zufrieden. Diese Erkenntnisse sind unter anderem für die Atmosphären­chemie, die Astrochemie und die Biologie, wo solche Prozesse eine wichtige Rolle spielen können, von großem Interesse.

U. Innsbruck / DE