(Stephan Geist/EyeEm/Getty Images) In Ihrer Teetasse herrscht ein Sturm, wie wir ihn kaum verstehen. Wassermoleküle drehen sich wie wild umher, greifen einander an, greifen nacheinander und lassen los auf einzigartige Weise, die sich einer einfachen Untersuchung entzieht.
Während Physiker das Phänomen kennen Wasserstoffbrückenbindung spielt eine Schlüsselrolle in der Vielfalt des Wassers seltsam und wunderbar Konfigurationen sind bestimmte Details zur genauen Funktionsweise eher vage geblieben.
Ein internationales Forscherteam verfolgte einen neuen Ansatz zur Abbildung der Positionen von Partikeln, aus denen flüssiges Wasser besteht, und erfasste deren Unschärfe mit Femtosekunde Präzision, um zu zeigen, wie Wasserstoff und Sauerstoff in Wassermolekülen aufeinanderprallen.
Ihre Ergebnisse helfen uns vielleicht nicht dabei, eine bessere Tasse Tee zuzubereiten, aber sie tragen wesentlich dazu bei, die Quantenmodellierung von Wasserstoffbrückenbindungen zu konkretisieren und möglicherweise Theorien zu verbessern, die erklären, warum Wasser – so lebenswichtig denn das Leben, wie wir es kennen, hat solch faszinierende Eigenschaften.
„Dies hat wirklich ein neues Fenster zur Erforschung von Wasser geöffnet“, sagt Xijie Wang, Physiker am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums.
„Da wir nun endlich sehen können, wie sich die Wasserstoffbrückenbindungen bewegen, möchten wir diese Bewegungen gerne mit dem Gesamtbild verbinden, das Aufschluss darüber geben könnte, wie Wasser zur Entstehung und zum Überleben des Lebens auf der Erde geführt hat, und die Entwicklung erneuerbarer Energiemethoden beeinflussen könnte.“ .'
Isoliert betrachtet ist ein einzelnes Wassermolekül ein Dreierstreit um die Elektronen zwischen zwei Wasserstoffatomen und einem einzelnen Sauerstoffatom.
Mit weit mehr Protonen als seine beiden kleinen Begleiter erhält Sauerstoff etwas mehr von der Elektronenliebe des Moleküls. Dadurch bleibt jedem Wasserstoff etwas mehr elektronenfreie Zeit als üblich. Die winzigen Atome bleiben nicht unbedingt positiv geladen, aber es entsteht ein V-förmiges Molekül mit einer sanften Neigung subtil positiver Spitzen und einem leicht negativen Kern.
Wirf eine Reihe dieser Moleküle mit genügend Energie zusammen, und die kleinen Ladungsvariationen ordnen sich entsprechend an, wobei gleiche Ladungen auseinandergedrückt werden und ungleiche Ladungen zusammenkommen.
Auch wenn sich das alles recht einfach anhört, ist der Motor hinter diesem Prozess alles andere als einfach. Elektronen bewegen sich unter dem Einfluss verschiedener Quantengesetze umher. Je genauer wir hinsehen, desto unsicherer können wir über bestimmte Eigenschaften sein.
Zuvor hatten sich Physiker auf ultraschnelle Spektroskopie verlassen, um zu verstehen, wie sich Elektronen im chaotischen Tauziehen des Wassers bewegen, indem sie Lichtphotonen einfingen und ihre Signatur analysierten, um die Elektronenpositionen abzubilden.
Leider bleibt dabei ein entscheidender Teil der Szenerie außer Acht – die Atome selbst. Sie sind keine passiven Zuschauer, sondern bewegen und wackeln auch im Hinblick auf die Quantenkräfte, die sich um sie herum bewegen.
„Die geringe Masse der Wasserstoffatome verstärkt ihr quantenwellenartiges Verhalten.“ sagt SLAC-Physikerin Kelly Gaffney.
Um Einblicke in die Anordnung der Atome zu gewinnen, verwendete das Team ein sogenanntes Megaelectronvolt Ultrafast Electron Diffraction Instrument MeV-UED . Dieses Gerät im National Accelerator Laboratory des SLAC überschüttet das Wasser mit Elektronen, die entscheidende Informationen über die Anordnung der Atome übertragen, wenn sie von den Molekülen abprallen.
(Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)
Oben: Eine Animation zeigt, wie ein Wassermolekül reagiert, nachdem es mit Laserlicht getroffen wurde. Wenn das angeregte Wassermolekül zu schwingen beginnt, ziehen seine Wasserstoffatome (weiß) Sauerstoffatome (rot) von benachbarten Wassermolekülen näher heran, bevor sie sie wegdrücken und so den Raum zwischen den Molekülen vergrößern.
Mit genügend Schnappschüssen war es möglich, ein hochauflösendes Bild des Wackelns des Wasserstoffs zu erstellen, während sich die Moleküle um sie herum biegen und beugen, und zeigt, wie sie Sauerstoff von benachbarten Molekülen zu sich ziehen, bevor sie ihn heftig wieder zurückschieben.
„Diese Studie ist die erste, die direkt zeigt, dass die Reaktion des Wasserstoffbindungsnetzwerks auf einen Energieimpuls entscheidend von der quantenmechanischen Natur der Abstände der Wasserstoffatome abhängt, die seit langem für die einzigartigen Eigenschaften verantwortlich gemacht werden.“ von Wasser und seinem Wasserstoffbindungsnetzwerk“, sagt Gaffney.
Da sich nun gezeigt hat, dass das Werkzeug prinzipiell funktioniert, können Forscher damit den turbulenten Walzer von Wassermolekülen bei steigendem Druck und sinkender Temperatur untersuchen und beobachten, wie es darauf reagiert lebensaufbauende organische gelöste Stoffe oder Formulare erstaunliche neue Phasen unter exotischen Bedingungen.
Noch nie sah ein Sturm so anmutig aus.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Natur .