Fast 100 Jahre altes Struktur-Modell des flüssigen Wassers ist gerettet

9. Februar 2013, 22:48
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Diskussion um Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen könnte beigelegt werden

Vor fast zehn Jahren war das Bild, das sich Wissenschafter vom Wasser machten, komplett ins Wanken geraten: Bis dahin besagte fast 100 Jahre lang das Tetraeder-Modell, dass jedes Wassermolekül mit vier naheliegenden Molekülen eine sogenannte Wasserstoffbrückenbindung eingeht. 2004 aber hatte eine internationale Forschergruppe experimentell festgestellt, dass ein Wassermolekül jeweils nur mit zwei anderen Molekülen verbunden ist. Nun aber konnten Wissenschafter der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) das ursprüngliche Modell über die Molekülbindung bei Wasser bestätigen und damit das Ende einer jahrelangen wissenschaftlichen Kontroverse ermöglichen.

Einige ganz besondere und einzigartige Eigenschaften von Wasser, wie der flüssige Aggregatzustand oder der hohe Siedepunkt, gehen auf die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen zurück. Die H-Brücken entstehen infolge der unterschiedlichen Ladung von Sauerstoff- und Wasserstoff-Atomen, aus denen ein Wassermolekül besteht, und der resultierenden Dipolstruktur. Die traditionelle Sicht, die weithin akzeptiert war, ging von einer tetraedrischen Struktur von Wasser bei Raumtemperatur aus: Im Durchschnitt ist ein Wassermolekül mit den vier nächstliegenden Molekülen über zwei Donor- und zwei Akzeptorverbindungen gekoppelt.

"Wir als Theoretiker haben in unseren Berechnungen im zeitlichen Mittel immer nur eine Vierfachkoordinierung beobachten können", sagt Thomas Kühne vom JGU. Dank der neuen Simulationen können er und sein Kollege Rustam Khaliullin nun das alte Modell bestätigen und darüber hinaus eine Erklärung für die 2004 gemessenen Zweifachbindungen liefern – die nämlich laut Kühne keine Zweifachkoordinierung sind, "sondern eine extreme augenblickliche Asymmetrie".

Asymetrische Bindungen

Die vier Wasserstoffbrücken im Tetraedermodell sind demnach hinsichtlich der Stärke der H-Brücken stark asymmetrisch. Dies geht auf kleine momentane Störungen in dem Wasserstoffbrücken-Netzwerk zurück, die sich in Form von extrem schnellen Fluktuationen – sie ereignen sich auf einer Zeitskala von 100 bis 200 Femtosekunden – zeigen. Dadurch wird eine der beiden Donor- bzw. Akzeptorverbindungen kurzfristig wesentlich stärker als die andere. Diese Fluktuationen heben sich jedoch exakt auf, sodass im zeitlichen Mittel eine tetraedrische Struktur wiedererlangt wird.

Was 2004 in den Röntgenabsorptionsspektroskopie-Experimenten gemessen wurde, stammte von Wassermolekülen mit hoher momentaner Asymmetrie – weshalb praktisch nur zwei starke H-Brückenbindungen in einer ansonsten tetraedrischen Struktur zu sehen waren. "Unsere Befunde haben wichtige Folgen, weil sie dazu beitragen, die symmetrische und die asymmetrische Theorie über die Struktur von Wasser in Übereinstimmung zu bringen", schreiben die Wissenschafter in einer Veröffentlichung von "Nature Communications". Die Ergebnisse dürften auch für die Untersuchung von molekularen oder biologischen Systemen in wässriger Lösung wie beispielsweise die Proteinfaltung von Bedeutung sein. (red, derStandard.at, 09.02.2013)

  • Die Illustratiuon zeigt das Modell eines symmetrischen, vierfach koordinierten Wassermoleküls (Sauerstoff rot und Wasserstoff weiß).
    illustration: thomas d. kühne:

    Die Illustratiuon zeigt das Modell eines symmetrischen, vierfach koordinierten Wassermoleküls (Sauerstoff rot und Wasserstoff weiß).

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