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Dynamik Vortrag: Mi., 11:30–11:50 M-V6
Wasser in neuem Licht — Röntgenspektroskopie liefert neue Erkenntnisse
zur Nahordnung in Wasser
Philippe Wernet 1
1 BESSY, Albert-Einstein-Strasse 15, D-12489 Berlin
So gewöhnlich flüssiges Wasser auch erscheinen mag so außergewöhnlich sind doch seine
Eigenschaften. Ein fluktuierendes Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen (WBB)
verknüpft die außergewöhnlich mobilen Wassermoleküle und bestimmt seine Struktur
und seine Eigenschaften. Da WBB aber permanent brechen und neu geformt werden,
ist die Struktur flüssigen Wassers äußerst unzugänglich und bis heute umstritten.
Uns gelang kürzlich ein neuer Einblick in die Nahordnung von Wasser mit Hilfe Röntgenspektroskopischer
Verfahren [1-4]. Die Anwendung von Synchrotronstrahlung mit
Energien zwischen 500 und 10000 eV und der Nachweis von Elektronen bzw. Photonen
ermöglichte es, Wasser mit Informationstiefen zwischen 1 ˚A und 1 mm zu untersuchen.
Einblicke in die Struktur von Wasser wurden aus Absorptionsspektroskopie mit weicher
[1] und Raman Streuung mit harter Röntgenstrahlung [3] gewonnen. Diese elementspezifischen,
symmetrie-sensitiven, lokalen und ultra-schnellen Methoden geben Aufschluss
über die Stärke und die Anzahl der WBB eines Moleküls zu seinen nächsten Nachbarn.
So konnten wir die Nahordnung in flüssigem Wasser aus Vergleichen mit bekannten
Modellsystemen nämlich der Oberfläche und dem Innern von Eis ermitteln [1]. Danach
bildet die Mehrzahl der Moleküle lediglich 2 starke WBB aus, eine auf der Sauerstoffund
eine auf der Wasserstoffseite. Die Moleküle in flüssigem Wasser ordnen sich also in
Ringen und Ketten und nicht, wie bisher angenommen und vergleichbar dem Innern von
Eis, tetraedrisch an. Unser asymmetrisches Modell steht in krassem Widerspruch zum
allgemein akzeptierten Wissen. Bei genauerer Betrachtung stellt sich jedoch heraus,
dass dieses Wissen auf molekulardynamischen Simulationen basiert und dass unsere
neuen Erkenntnisse im Einklang mit etablierten experimentellen Ergebnissen aus der
Neutronen- und Röntgenstreuung sind [5].
In diesem Beitrag werden die Methoden eingeführt, die Erkenntnisse werden dargestellt
und mit Ergebnissen aus der Neutronen- und Röntgenstreuung und mit molekulardynamischen
Simulationen verglichen. Untersuchungen zu Eis, zu flüssigem Wasser bei
Raumtemperatur [1], nahe des Siedepunktes [2] und bis in den überkritischen Bereich
[4] werden vorgestellt. Ein Ausblick führt zu neuesten Anstrengungen zur Untersuchung
der Dynamik in Wasser wobei ultra-kurze Laserpulse verwendet werden, um spezifische
Anregungen zu erzeugen deren Auswirkungen auf die Struktur dann stroboskopisch mit
ultra-kurzen Röntgenpulsen abgefragt werden.
[1] Ph. Wernet et al., Science 304 (2004) 995. [2] A. Nilsson et al., Science 308 (2005)
793a. [3] U. Bergmann et al., Phys. Rev. B 66 (2002) 092107. [4] Ph. Wernet et al., J.
Chem. Phys. 123 (2005) 154503. [5] A. K. Soper, J. Phys.: Condens. Matter 17 (2005)
S3273.