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An der Oberfläche winziger Wassertropfen sieht es überraschend ordentlich aus

Sie existieren über uns in Eispartikeln und Wolkentröpfchen, unter uns in Gesteinen und Ölfeldern, und sogar in uns, wo sie die Arzneistoffgabe unterstützen. Doch trotz ihrer Allgegenwärtigkeit war bis jetzt nur äußerst wenig über die Oberfläche winziger, Wassertröpfchen bekannt.
An der Oberfläche winziger Wassertropfen sieht es überraschend ordentlich aus
Nanoskopische und mikroskopische Wassertröpfchen in hydrophoben (wasserabweisenden) Umgebungen befinden sich überall um uns herum. Zudem hängen biologische Prozesse von den Wechselwirkungen der Wassertröpfchen mit anderen Grenzflächen ab – tatsächlich bestehen 60 % des menschlichen Körpers selbst aus Wasser. Mit dem EU-geförderten Projekt WII (Water, Ions, Interfaces) konnte etwas mehr Licht auf die Quanteneffekte geworfen werden, die im Wasser und an den unterschiedlichen Grenzflächen wirken, mit denen Wassertröpfchen interagieren.

Das WII-Projekt wurde ins Leben gerufen, um unser Wissen dazu zu vertiefen, wie die strukturellen, dynamischen und biologischen Eigenschaften des Wassers zur Funktionsfähigkeit lebender Systeme beitragen, aber auch in der Hoffnung, weitere technologische Innovationen anzustoßen, mit denen Konzepte aus der Natur aufgegriffen werden. Mitglieder des WII-Projektteams berichteten vor Kurzem in Nature Communications von ihrer Entdeckung, dass Moleküle an der Oberfläche der Tröpfchen überraschend geordneter seien als bisher angenommen.

Wasser als Bühne für molekulare Dramen

Die veröffentlichte Studie hatte zum Ziel, die Eigenschaften und das Verhalten von Wassertröpfchen in hydrophoben Substanzen wie Öl besser zu verstehen, da sich diese Eigenschaften und Verhaltensweisen auf die Funktionsfähigkeit des gesamten wässrigen Systems auswirken. Das Wissen zu Wassertröpfchen wird für gewöhnlich aus Informationen abgeleitet, die entweder Studien entstammen, bei denen makroskopische Luft-Wasser-Grenzflächen oder wässrige Lösungen von solvatisierten hydrophoben Stoffen untersucht wurden. Wie die Autoren hervorheben, ist dies eine ungenaue Vorgehensweise, da verglichen mit den Umgebungen tatsächlicher winziger Tröpfchen, deren Größe meist nur dem Tausendstel der Breite eines Haares entspricht, Unterschiede hinsichtlich Größe, chemischer Zusammensetzung und Temperaturabhängigkeit bestehen.

Die Forscher von WII entwickelten eine einzigartige Methode zur Untersuchung der Oberfläche dieser winzigen Tröpfchen. WII-Projektkoordinator Professor Sylvie Roke zufolge „beinhaltet die Methode, ultrakurze Laserimpulse sich in einem Gemisch aus Wassertröpfchen in flüssigem Öl überschneiden zu lassen und Photonen zu erkennen, die nur von der Grenzfläche gestreut werden.“ Sie führt aus: „Diese Photonen besitzen die Summenfrequenz der ankommenden Photonen und somit eine andere Farbe. Mithilfe dieser neu erzeugten Farbe können wir die Struktur der Grenzfläche feststellen.“

Die Forscher stellten fest, dass die Tröpfchenoberfläche viel geordneter ist als die bei gewöhnlichem Wasser und gewissermaßen mit der Oberfläche von Eis vergleichbar ist: Die Moleküle verfügen über äußerst starke Wasserstoffbrückenbindungen mit einer stabilen vierflächigen (pyramidenförmigen) Anordnung, die jedes Molekül umgibt. Zudem wurde diese Anordnung an der Oberfläche der Mirko-Wassertröpfchen selbst bei Raumtemperatur festgestellt, die 50 °C über der Temperatur liegt, bei der das Phänomen eigentlich erwartet worden wäre.

Das dreidimensionale Wasserstoffbrückennetzwerk von Wasser ist dafür bekannt, sich trotz seiner kooperativen Bindungen alle paar Femtosekunden (Billiardstel von Sekunden) neu zusammenzusetzen, wobei die Eigenschaften von Wechselwirkungen auf Quantenebene bestimmt werden. Einer der wichtigsten Beiträge der WII-Forscher ist der Fokus auf den Übergang von dieser Quantenebene, bzw. diesem Zeitraum von Femtosekunden, auf die Makroebene bzw. makroskopischen Zeitraum. Diese Ergebnisse haben das Potenzial, eine Vielzahl von atmosphärischen, biologischen und geologischen Prozessen näher zu beleuchten.

Weitere Informationen:
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Quelle: Gestützt auf Projektinformationen und Medienberichte

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