Energieaustausch zwischen Wassermolekülen an Oberflächen

15. August 2013

Wie Wasserstoffmoleküle Energie auch an Grenzflächen austauschen hat Ruth Livingstone, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Polymerforschung erkannt und ist dafür mit dem Posterpreis auf der "Gordon Research Conference on the Chemistry and Physics of Liquids" ausgezeichnet worden. Die Konferenz wurde vom 4.8. bis 9.8.2013 in Holderness, New Hampshire (USA) abgehalten.

Livingstone Forschungsinteressen konzentrieren sich auf Wassermoleküle und ihr Verhalten an der Wasseroberfläche. Wasserteilchen agieren in Abhängigkeit zu ihrer Umgebung durchaus unterschiedlich. An der Grenzschicht zwischen Wasser und Luft spielen sich andere Prozesse ab als in der Flüssigkeit selbst. Platziert man noch einen weiteren Stoff, etwa ein die Wasseroberfläche benetzendes Tensid (Surfactant) dazwischen, erhält man eine Grenzschicht aus Wasser, Tensid und Luft, in der sich H2O-Moleküle bewegen.

Ruth Livingstone beobachtete erfolgreich, wie die Wasserteilchen über die Grenzschichten hinweg bei äußerer Anregung Energie austauschen. Bei dieser experimentellen Anordnung besteht die besondere Herausforderung, Vorgänge kontrolliert, wiederholbar anzustoßen, um die Moleküle an der Oberfläche vom Rest des Wassers unterscheiden zu können. Die Physikerin nutzt die Summenfrequenzspektroskopie (SFG), um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Die Wasserteilchen in der Grenzschicht werden mit einem Laserpuls im Infrarotbereich angeregt und beginnen zu schwingen. Zwei weitere Laser, einer im Bereich des sichtbaren Lichts, einer mit Infrarotfrequenz, werden zeitlich minimal versetzt auf die Probe gestrahlt. Beide Frequenzen addieren sich und bilden ein resultierendes Signal, das ausschließlich von Molekülen an der Grenzfläche herrührt. Livingstone konnte nachweisen, dass Wassermoleküle an der Grenzschicht zum Tensid aufgenommene Energie direkt an Wasserteilchen, die sich in der Tensidschicht aufhalten, wieder abgeben. Dieses Phänomen wirft zahlreiche weitere Fragen auf, die die Schottin zukünftig ergründen möchte. 

Ruth Livingstone hat an der Heriot Watt-Universität zu Edinburgh promoviert und ist seit 2012 im Arbeitskreis von Direktor Mischa Bonn tätig. Kürzlich wurde sie mit einem Forschungsstipendium der Humboldt-Stiftung ausgezeichnet, mit dem sie ihre wissenschaftliche Arbeit weiter ausbauen möchte.

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