(JJ Harrison/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0) 
Das Leben, wie wir es kennen, würde ohne es nicht existieren, aber im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten ist Wasser einfach ein verdammter Spinner. Und wie sich jetzt herausstellt, ist es noch seltsamer als wir dachten. Wissenschaftler in Japan haben gezeigt, dass Wasser im flüssigen Zustand nicht nur eine, sondern zwei verschiedene Molekülstrukturen aufweist – eine tetraedrische und eine nicht-tetraedrische.
Diese Entdeckung könnte Auswirkungen auf unser Verständnis lebender Systeme haben, die auf flüssiges Wasser angewiesen sind.
Wasser ist auf der Erde ziemlich alltäglich. Im Vergleich zum Rest des Sonnensystems haben wir einen sehr feuchten Planeten. Wir baden darin; wir trinken es; Im Sommer machen wir darin herum. Alles Leben auf der Erde hängt davon ab. Doch Wasser selbst – das gute alte Diwasserstoffmonoxid – ist ein wirklich eigenartiger Stoff.
Da ist die wirklich seltsame Dichte. Die meisten Flüssigkeiten werden beim Abkühlen dichter, sodass ein Eis entsteht, das dichter als die Flüssigkeit ist. Wasser erreicht jedoch seine maximale Dichte bei etwa 4 Grad Celsius (39,2 Fahrenheit).
Wenn die Temperatur weiter sinkt, wird es weniger dicht, sodass es am Gefrierpunkt – etwa 0 Grad Celsius (32 Fahrenheit) – weniger dicht als flüssiges Wasser ist und oben schwimmt.
Darüber hinaus weist Wasser eine ungewöhnlich hohe Oberflächenspannung auf, die nur von Flüssigkeit übertroffen wird Quecksilber ; seine Schmelz- und Siedepunkte sind ungewöhnlich hoch; Und dass sich so viele andere Chemikalien darin lösen, ist auch wirklich seltsam.
Im Jahr 2018 Wissenschaftler aus Großbritannien und Japan demonstrierten dass diese besonderen Eigenschaften mit dem zu tun haben tetraedrische Anordnung von Wassermolekülen in flüssiger Form. Das bedeutet, dass jedes Wassermolekül vorhanden ist wasserstoffgebunden zu vier anderen in grober Pyramidenform.
Dennoch ist die Art und Weise, wie die Struktur geordnet ist, weiterhin umstritten. Ein Modell geht davon aus, dass die molekulare Struktur des Wassers unimodal ist – es besteht durchgehend aus Tetraedern. Der andere schlägt vor, dass die Struktur bimodal ist und aus zwei Strukturen besteht – Tetraedern und etwas anderem.
Um das Problem zu lösen, führten Industriewissenschaftler der Universität Tokio Computersimulationen durch und führten auch Experimente mit flüssigem Siliziumdioxid durch, einer der wenigen anderen Flüssigkeiten, von denen bekannt ist, dass sie ebenfalls eine tetraedrische Molekülanordnung aufweisen.
Diese Experimente basierten auf Röntgenbeugung. Die Art und Weise, wie diese kurzen Wellenlängen an den Atomen in den Molekülen in der Flüssigkeit gestreut werden, kann genutzt werden, um auf die Anordnung dieser Moleküle zu schließen.
Konkret untersuchten die Wissenschaftler Peaks in der Beugung. Und sie fanden heraus, dass zwei überlappende Beugungspeaks in etwas verborgen waren, das wie der erste Beugungspeak aussah.
Einer dieser Peaks stimmte mit dem Abstand zwischen Sauerstoffatomen in normalen Flüssigkeiten überein. Das andere stimmte mit dem längeren Abstand zwischen Sauerstoffatomen in tetraedrischen Molekülanordnungen überein, konnten die Forscher zeigen.
„Wir zeigen den ersten klaren numerischen Beweis im Strukturfaktor für die dynamische Koexistenz der beiden Arten lokaler Strukturen … was die Zweizustandsbeschreibung von flüssigem Wasser unterstützt.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
Dieser Befund könnte Auswirkungen auf die Molekularbiologie, Chemie und Pharmakologie sowie auf industrielle Anwendungen haben, sagten die Forscher.
Die Forschung wurde im veröffentlicht Zeitschrift der American Chemical Society .