Potenzielle Energieoberflächen von Wasser kartiert

Wasser ist sicherlich die bekannteste Flüssigkeit der Welt. Wasser spielt bei allen biologischen und vielen chemischen Prozessen eine entscheidende Rolle. Die Wassermoleküle selbst bergen kaum Geheimnisse. Schon in der Schule lernen wir, dass Wasser aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen besteht. Wir kennen sogar den typischen stumpfen Winkel, den die beiden OH-Beine miteinander bilden. Darüber hinaus wissen wir, wann Wasser kocht oder gefriert und wie diese Phasenübergänge mit dem Druck zusammenhängen. Doch zwischen Fakten über einzelne Moleküle und einem tieferen Verständnis der makroskopischen Phänomene liegt ein großer Unsicherheitsbereich: Über das Verhalten der einzelnen Moleküle in normalem flüssigem Wasser sind nur statistische Informationen bekannt: Die Wassermoleküle in der flüssigen Phase bilden eine schwankende Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen, ungeordnet und dicht, und ihre Wechselwirkungen sind bei weitem nicht so gut verstanden wie im gasförmigen Zustand.

Reines flüssiges Wasser untersucht

Nun hat ein Team um HZB-Physikerin Dr. Annette Pietzsch reines flüssiges Wasser bei Raumtemperatur und Normaldruck genauer unter die Lupe genommen. Mithilfe von Röntgenanalysen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des Paul Scherrer Instituts und statistischer Modellierung ist es den Wissenschaftlern gelungen, die sogenannten potentiellen Energieflächen der einzelnen Wassermoleküle im Grundzustand abzubilden, die in den unterschiedlichsten Formen vorkommen abhängig von ihrer Umgebung.

Schwingungen und Vibrationen gemessen

„Das Besondere hier ist die Methode: Wir haben die Wassermoleküle an der ADRESS-Strahllinie mithilfe resonant-inelastischer Röntgenstreuung untersucht. Vereinfacht gesagt haben wir einzelne Moleküle sehr vorsichtig angestoßen und dann gemessen, wie sie in den Grundzustand zurückfielen“, sagt Pietzsch. Die niederenergetischen Anregungen führten zu Streckschwingungen und anderen Schwingungen, die – kombiniert mit Modellrechnungen – ein detailliertes Bild der Potentialflächen ergaben.

„Damit haben wir eine Methode, die Energie eines Moleküls in Abhängigkeit von seiner Struktur experimentell zu bestimmen“, erklärt Pietzsch. „Die Ergebnisse helfen, die Chemie im Wasser aufzuklären, beispielsweise um besser zu verstehen, wie sich Wasser als Lösungsmittel verhält.“

Ausblick: METRIXS bei BESSY II

Die nächsten Experimente an der Röntgenquelle BESSY II am HZB sind bereits geplant. Dort haben Annette Pietzsch und ihr Team den Messplatz METRIXS aufgebaut, der genau auf die Untersuchung flüssiger Proben mit RIXS-Experimenten ausgelegt ist. „Nach der Sommerpause wegen Wartungsarbeiten an BESSY II beginnen wir mit den ersten Tests unserer Instrumente. Und dann kann es weitergehen.“