Wasser
Wasser ist die am meisten vorhandene Flüssigkeit auf der Welt: Über 72% der Erdoberfläche sind damit bedeckt. Während Wasser in den verschiedenen Aggregatzuständen fest - d. h. Eis -, flüssig und gasförmig eine große Rolle bei Wetterereignissen spielt, spielt es ebenfalls eine wichtige Rolle bei Stoffwechselprozessen im menschlichen Körper. Doch trotz seiner Wichtigkeit in verschiedenen Lebensbereichen gibt es physikalisch, chemisch oder auch biologisch noch viele Fragen zu beantworten.
Wasser ist nicht nur die auf der Erde am häufigsten vorkommende Flüssigkeit, sondern vielleicht auch die seltsamste. Die Dichte der meisten Stoffe wird mit niedrigerer Temperatur größer - nicht so bei Wasser. Denn Wasser hat die größte Dichte bei 4°C. Auf diese Art und Weise bildet sich Eis auf der Wasseroberfläche, und Fische können im Winter unter Wasser überleben. Weitere Effekte zeigen, dass Wasser - ein einfaches Molekül, welches aus zwei Wasserstoff-Atomen (H) und einem Sauerstoff-Atom (O) besteht - mehr Fragen aufwirft, als es auf den ersten Blick scheint. So hat beispielsweise der tansanische Schüler Erasto Mpemba 1969 den Effekt (wieder-)entdeckt und veröffentlicht, dass warmes Wasser schneller gefriert als kaltes. Daher stellt Wasser ein auch heute noch aktuelles und vieluntersuchtes Forschungsobject dar, an dem sich eine ganze Reihe verschiedener Forschungsrichtungen aufhängen lassen.
Aktuelle Forschungsbeiträge
Wasser und Wassermoleküle
Wassermoleküle bestehen aus jeweils zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Diese sind miteinander in einem Abstand von 96 Pikometern verbunden, zwischen den Bindungen liegt ein Winkel von 104°. Doch so statisch wie es auf den ersten Blick scheint ist ein Wassermolekül nicht: Die Moleküle können rotieren, sich im Raum bewegen. Die Bindungen können in verschiedener Art und Weise schwingen - einmal als "Biegeschwingung", die den Winkel zwischen den Bindungen periodisch ändert, oder als Streckschwingung, welche den Abstand zwischen den Atomen ändert. Auf diese Art kann in einem Wassermolekül Energie gespeichert werden, die ihm zum Beispiel über Strahlung wie Infrarotstrahlung oder Mikrowellenstrahlung zugeführt werden kann.
Zusätzlich zu den Bewegungen, die ein einzelnes Wassermolekül ausführen kann, ist auch die Wechselwirkung verschiedener Wassermoleküle miteinander physikalisch und chemisch interessant. Aufgrund von unterschiedlichen Elektronegativitäten - diese geben an, wie stark Elektronen von verschiedenen Atomen angezogen werden - wird die Wolke aus Elektronen, die sich um ein Wassermolekül herum bewegt, leicht in Richtung des Sauerstoffatoms verschoben. Hierdurch ist das ganze Wassermolekül zwar immer noch neutral, zeigt aber am Ende der Wasserstoffatome eine sogenannte positive Partialladung, während es entsprechend am Ende des Sauerstoffatoms eine negative Partialladung zeigt.
Diese Partialladungen sorgen dafür, dass sich Wassermoleküle mit anderen Wassermolekülen durch eine Art Netz verbinden können. Die Bindung zwischen zwei Wassermolekülen wird hierbei "Wasserstoffbrückenbindung" genannt.
Die Wechselwirkung von Wassermolekülen hat hierbei weitreichende Folgen - zum Beispiel für den Verdampfungsprozess von Wasser. Hier müssen einzelne Wassermoleküle an der Oberfläche von Wasser herausgelöst werden, was eine Durchbrechung diese Wasserstoffbrückenbindungen bedarf.
Hier habe Forscher:innen unseres Instituts durch Computersimulationen gezeigt, dass dieser Prozess - also der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand - die Unterstützung von zwei weiteren Molekülen erfordert. Hierfür haben sie sich computergenerierte "Filme" der flüssigen Wassermoleküle angeschaut. Sie haben festgestellt, dass das Herausschleudern eines Wassermoleküls aus der Oberfläche der Flüssigkeit durch eine bestimmte Abfolge von Zusammenstößen mit zwei anderen Wassermoleküken vonstatten geht, das herausgelöste Molekül also seine Energie durch eine vorher stattfindenden Kollision erhält.
Doch nicht nur an Wassergrenzflächen sind die Kräfte zwischen Wassermolekülen relevant. Auch im Inneren einer Flüssigkeit, im sogenannten "Bulk", spielen sie eine Rolle - zum Beispiel in der Wärmeausbreitung.
Wassermoleküle können durch Infrarotstrahlung, zum Beispiel von der Sonne, zu einer Biegeschwingung angeregt werden - die Energie der Sonne wird also in einem Molekül gespeichert. Wie Untersuchungen gezeigt haben, kann jedoch ein Wassermolekül, welches eine Biegeschwingung ausführt, diese Energie nicht an ein anderes Wassermolekül übertragen und damit für Wäremausbreitung sorgen. Hierfür ist es zunächst notwendig, die Energie der Biegeschwingung in eine Rotation des gleichen Wassermoleküls zu übertragen, was dadurch geschieht, dass sich das Wassermolekül an seinen Nachbarn quasi "abstößt". Einmal in Rotation kann es Energie an benachbarte Moleküle übertragen, wodruch sich Wärme ausbreiten kann.
Wasser und Eis
Der feste Aggregatzustand von Wasser - Eis - macht vor allem im Winter Freude. Beim Schlittschuhlaufen, Schneemannbauen oder Rodeln. Doch wie genau entsteht Eis? Wieso ist Eis rutschig? Wie genau schmilzt Eis?
Zur Beantwortung dieser Fragen haben sich unsere Wissenschaftler:innen besonders reines und im Labor hergestelltes Eis mit Hilfe der Laserspektroskopie genauer angeschaut. Diese Technik ist in der Lage, Wassermoleküle an der Grenzfläche genauer unter die Lupe zu nehmen.
Mit dieser Technik haben sie nun herausgefunden, warum Eis rutschig ist. Hierfür gab es bereits verschiedene Theorien: Ein auf der Oberfläche vorhandener Flüssigkeitsfilm, oder auch ein Schmelzen des Eises unter dem Druck von beispielsweise Schlittschuhkufen. Die neuen Untersuchungen mit Hilfe der Laserspektroskopie in Kombination mit Computersimulationen haben nun gezeigt, dass an der Oberfläche von Eis zwei verschiedene Arten von Wassermolekülen existieren: Solche, die stark an das darunterliegende EIs gebunden sind (durch drei Wasserstoffbrückenbindungen), und solche, die nur durch zwei Wasserstoffbrückenbindungen angebunden sind. Diese weniger stark gebundenen Wassermoleküle sind für die Rutschigkeit von Eis verantwortlich: Sie können quasi auf der Oberfläche "rollen" und sorgen ähnlich wie kleine Kugeln dafür, dass Eis rutschig ist.
Doch nicht nur die Vorgänge an Eisoberflächen sind wissenschaftlich ein hochspannendes und noch immer viel diskutiertes Thema: Auch die Prozesse rund um Eisbildung bzw. dem Schmelzen von Eis sind Gegenstand aktueller Untersuchungen. So hat nun eine Gruppe von Wissenschaftler:innen um Konrad Meister die Eisbildungsfähigkeit von bakteriellen Proteinen untersucht - diese werden unter anderem für die industrielle Erzeugung von Kunstschnee verwendet. Hier konnte das Team zeigen, dass die Fähigkeit zur Eisbildung stark von dem pH-Wert der Umgebung abhängt.
Schaut man sich den Schmelzvorgang an, so ist die allgemeine Meinung, dass Eis bei 0 °C anfängt zu schmelzen. Doch bereits vor über 150 Jahren hat Michael Faraday gezeigt, dass auf Eis eine dünne Wasserschicht vorhanden ist. Dies wirft die Frage auf, wann und wie Eis genau schmilzt. Ein Team um Gruppenleiterin Ellen Backus hat mit Hilfe der Laserspektroskopie herausgefunden, dass bereits bei einer Temperatur von -38 °C die erste dünne flüssige Schicht auf Eis vorhanden ist, die zweite folgt bei -16 °C. Grund hierfür sind die unterschiedlichen Wechselwirkungen von oberflächennahen Molekülen im Vergleich zu Molekülen im Inneren von Eis.
Wasser und Leben
Fest, flüssig und gasförmig. Das sind die drei Aggregatzustände von Wasser. Doch lange Zeit wurde darüber diskutiert, dass Wasser auch in einem vierten Aggregatzustand vorliegen könnte - sogenanntes "biologisches Wasser". Dahinter steckt die Annahme, dass Biomoleküle, wie sie z. B. in menschlichen Zellen vorhanden sind, Wassermoleküle auch noch in großer Entfernung stark beeinflussen können und sich somit das Wasser in Zellen "anders" verhält als natürlich vorkommendes Wasser.
Unsere Wissenschaftler haben Wasser in Zellen nun vermessen und dessen Eigenschaften - genauer: dessen Schwingungsverhalten - angeschaut. Dieses Schwingung ist sehr sensitiv auf Umgebungseinflüsse, wie sie durch andere Moleküle zustande kommen. Sie fanden jedoch heraus, dass Wasser auch in lebenden Zellen nur Wasser ist - und sich die Einflüsse von Biomolekülen wirklich nur auf eng dazu benachbarte Wassermoleküle erstrecken.
Einer ganz anderen Frage zum Thema "Wasser und Leben" gehen Yuki Nagata und Johannes Hunger nach. Sie haben sich in ihrer Forschung gefragt, wie genau Fische in Salzwasser überleben können. Hierfür muss nämlich der Druck innerhalb ihrer Zellen aufrecht erhalten werden - der sogenannte osmotische Druck. Ohne diesen würden die Zellen implodieren und die Fische schließlich sterben. Hier sind zwei spezifische Moleküle beteiligt: TMAO und Harnstoff. Die beiden Forscher haben mit ihren Teams durch eine Kombination von experimentellen und theoretischen Methoden herausgefunden, warum zwei verschiedene Moleküle dafür notwendig sind, wie diese mit Wasser interagieren.
Wasser und Energie
Während Energie in Wassermolekülen gespeichert werden kann - z. B. in Form von Rotation oder Schwingung - kann Wasser auch in verschiedenen Weisen zur Energiespeicherung oder Energiegewinnung genutzt werden.
Ein Beispiel hierbei ist die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse - hier kann Energie, z. B. aus Solarkraft, dazu verwendet werden, Wassermoleküle zu spalten. Bringt man diese dann wieder zusammen, kann diese Energie - zumindest teilweise - wieder zurückgewonnen werden.
Auch bei uns am Institut wird auf dem Gebiet der Wasserspaltung bzw. der Katalyse gearbeitet. Fragen sind hierbei zum Beispiel, wie genau photokatalytische Prozesse ablaufen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass Wasser an einer Titandioxid-Schicht gespalten werden kann, indem diese mit Sonnenlicht bestrahlt wird - Wasserstoff und Sauerstoff also ohne Elektroden erzeugt werden können. Ellen Backus, Gruppenleiterin am MPI-P und nun Professorin an der Universität Wien, arbeitet in ihrer Forschung daran, die zugrundeliegenden Prozesse genauer zu verstehen.
Doch auch auf dem Gebiet der Wasserspaltung bzw. Katalyse mit Hilfe von Elektroden wird weiterhin geforscht. Das Ziel ist ein genaueres Verständis der komplexen an den Elektroden ablaufenden Prozesse. Denn bei der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sind chemisch viele Zwischenschritte notwendig, die an den Elektroden ablaufen und deren genaues Verständnis dann in Zukunft helfen kann, Elektrodenoberflächen gezielt zu verändern, um die Effizienz der Wasserspaltung zu erhöhen.
Einen ganz anderen Weg, um Strom mit Hilfe von Wasser zu erzeugen, geht das ERC-Projekt "DYNAMO" unter der Leitung von Hans-Jürgen Butt. Hier wird ein neuer und noch recht unbekannter Effekt genutzt, dass Wassertropfen auf Oberflächen Ladungen hinterlassen. Wie genau der Mechanismus dahinter aussieht, wie also genau ein Wassertropfen dafür sorgt, dass eine Oberfläche geladen wird, ist noch weitgehend unbekannt, soll aber in den kommenden Jahren im Rahmen des Projektes näher untersucht werden.
Wasser und Oberflächen
Ob Autoscheiben, unter der Dusche oder in Kochtöpfen: Oberflächen kommen häufiger in Kontakt mit Wassertropfen. Wie diese Oberflächen mit dem Wasser wechselwirken, hängt stark an den Eigenschaften dieser Oberfläche. Während Wassertropfen auf einigen Oberflächen sehr gut haften, werden sie von anderen sehr stark abgewiesen - wie z. B. von der bekannten Lotuspflanze. Diese Oberflächen künstlich herzustellen und vor allem widerstandsfähig zu machen, ist das Ziel mehrerer Forschungsvorhaben am Institut. Denn solche Oberflächen könnten am Ende nicht nur dazu genutzt werden, Wasser abzuweisen, sondern auch allgemein Schmutzpartikel. Diese Forschung könnte also den Weg zu selbstreinigenden Oberflächen ebnen oder auch im medizinischen Bereich für antibakterielle Beschichtungen genutzt werden.
Um solche schmutz- bzw. wasserabweisenden Oberflächen näher zu untersuchen, haben Wissenschafler:innen um Rüdiger Berger die Kräfte, die auf Wassertropfen auf Oberflächen wirken, näher untersucht. Sie haben dabei ein sogenanntes Rasterkraftmikroskop modifiziert: Eine dünne Nadel wird in einen Tropfen auf einer Oberfläche eingetaucht, die Oberfläche wird daraufhin bewegt. Hierdurch verbiegt sich die Nadel, was über einen Laserstrahl gemessen werden kann. Aus dieser Verbiegung lassen sich schließlich Rückschlüsse auf die wirkenden Kräfte ziehen
