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Zweidimensionales Wasser besitzt chaotische Eigenschaften
Volumenwasser ist ein Netzwerk, in dem jedes Molekül ständig Wasserstoffbrücken in alle Richtungen bildet. Nun wurde erstmals experimentell gezeigt, dass die Wasserstoffbrückenbindungen in zweidimensionalem Wasser gestört sind. Dies belegt eine seit Langem etablierte Theorie, laut der Monoschichtwasser chaotische Eigenschaften besitzt.
Manchester (England). Die Physik untersucht seit Langem Wasser, weil dieses trotz seiner simplen Zusammensetzung außergewöhnliche Eigenschaften besitzt, die natürliche und technische Prozesse beeinflussen. Es wurde etwa kürzlich entdeckt, dass Wasser bei minus 63 Grad Celsius einen weiteren kritischen Punkt besitzt, bei dem zwei Dichtevarianten von ultrakaltem Wasser ineinander übergehen. Das bessere Verständnis der Eigenschaften und des Verhaltens von Wasser soll in Zukunft unter anderem dabei helfen, innovative Nanotechniken zu entwickeln und die Prozesse in den menschlichen Zellen besser zu verstehen.
Forscher der Universität Manchester haben nun eine neue Studie publiziert, die zeigt, welche Eigenschaften zweidimensionales Wasser besitzt. Das Team um Professor Radha Boya hat dazu Wasser in ultradünnen Kanälen eingeschlossen, die so dick waren, dass nur eine Wassermolekülschicht hineinpasst. Sie konnten so erstmals die charakteristischen Schwingungssignaturen von zweidimensionalem Wasser direkt messen und beobachten, wie sich die Wasserstoffbrückenbindungen unter dieser extremen räumlichen Begrenzung verändern.
Die Wissenschaftler haben Schlitzkanäle im Ångström-Maßstab aus zweidimensionalen Materialien, darunter Graphit und hexagonales Bornitrid (hBN), hergestellt. In der Struktur sorgt das Graphit für die hohe Reflexion und das hBN wirkt als Wellenleiter. Die beiden Materialien verstärken somit gemeinsam das Infrarotabsorptionssignal der ultradünnen Wasserschicht.
Sie konnten so mit dem ultraleuchtstarken Synchrotron-Infrarot-Mikrostrahl an der MIRIAM-Beamline B22 von Diamond Light Source die Schwingungsmoden des zweidimensionalen Wassers messen. Dabei haben sie beobachtet, dass sich die Wasserstoffbrückenbindungen, die für viele der bekannten Eigenschaften von Wasser sorgen, bei zweidimensionalem Wasser neuordnen.
„Man kann sich Volumenwasser als ein dreidimensionales Netzwerk vorstellen, in dem jedes Molekül ständig Wasserstoffbrücken in alle Richtungen bildet und wieder aufbricht. Wenn man Wasser auf eine einzelne Schicht zusammendrückt, kann dieses Netzwerk auf diese Weise einfach nicht zusammenhalten. Zum ersten Mal konnten wir direkt sehen, wie sich diese Bindungen in diesem extremen Grenzfall neu anordnen.“ Prof. Radha Boya
Wie die Forscher erklären, reagiert die Infrarotspektroskopie sehr empfindlich auf die Streckschwingungen der O-H-Bindungen in Wassermolekülen. Sie haben deshalb Wasser in unterschiedlich hohen Kanälen positioniert, um zu vergleichen, wie sich die Schwingungsfrequenzen verändern, wenn die Wasserschicht immer dünner wird, bis sie schlussendlich nur noch zweidimensional ist. Das Experiment zeigt, dass das Infrarotabsorptionsspektrum dabei zu immer höheren Frequenzen kommt.
„Meine erste Begeisterung war, an der Beamline B22 den Schwingungsfingerabdruck einer einzelnen Monoschicht Wasser messen zu können. Soweit wir wissen, ist dies das erste Mal, dass der Übergang von 3D- zu 2D-Wasser direkt mit einer Infrarot-Mikrosonde nachgewiesen wurde. Die Blauverschiebung ist ein klares Zeichen dafür, dass das Netzwerk der Wasserstoffbrückenbindungen im Vergleich zu Volumenwasser gestört ist.“ Dr. Gianfelice Cinque
Laut Boya belegt das Experiment, dass zweidimensionales Wasser nicht bloß eine extrem flache Version von gewöhnlichem flüssigem Wasser ist, sondern dass es eine mosaikartige Struktur aus kleinen wasserstoffgebundenen Clustern ist, die von schwach gebundenen oder freien Molekülen umgeben ist. Die Studie belegt somit erstmals experimentell eine seit Langem bestehende Theorie über Monoschichtwasser.
Die Wissenschaftler um Boya haben zudem entdeckt, dass das beo