Der Walzer der Wassermoleküle

23. Dezember 2015, 11:52
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TU-Physiker beobachteten den Tanz von Wassermolekülen auf Materialoberfläche

Wien – Sie kommen in Batterien, Brennstoffzellen oder elektrischen Bauteilen zum Einsatz, dennoch ist das chemische Verhalten ihrer Oberfläche bislang weitgehend unerforscht: Perowskite. Wiener Physiker berichten nun im Fachblatt "Nature Materials" über die erstmalige Beobachtung eines theoretisch vorhergesagten Effekts der Materialien: Wassermoleküle an der Oberfläche von Perowskiten zerlegen sich und beginnen regelrecht zu tanzen.

Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität (TU) Wien untersucht im Rahmen zweier hoch dotierter Förderpreise – eines "Advanced Grant" des Europäischen Forschungsrats ERC und des österreichischen "Wittgenstein-Preises" – Oberflächen von Festkörpern.

Mittels Rastertunnelmikroskop und Computersimulationen ging sie den Vorkommnissen auf der Oberfläche von Strontium-Ruthenat auf den Grund, wenn das Material mit Wasser in Kontakt kommt. Es handelt sich dabei um eine Kristallstruktur aus Sauerstoff, Strontium und Ruthenium – ein typischer Vertreter der Materialklasse der Perowskite.

Dabei zeigte sich, dass Wassermoleküle dort in zwei Teile zerlegt werden. Eines der beiden Wasserstoffatome des H2O-Moleküls wandert zu einem auf der Materialoberfläche sitzenden Sauerstoffatom und wird von diesem festgehalten. Übrig bleibt eine Sauerstoff-Wasserstoff-Gruppe, die mit dem festgesetzten Wasserstoffatom per Wasserstoff-Brückenbindung verbunden bleibt.

Atomarer Tanz gefilmt

Da sich diese OH-Gruppe nicht frei bewegen kann, tanzt sie gewissermaßen um das fixierte Wasserstoff-Atom herum. Bei ihren Beobachtungen bestimmter Regionen der Kristalloberfläche über einen längeren Zeitraum hinweg konnten die Forscher den atomaren Tanz sogar mitfilmen, teilte die TU in einer Aussendung mit. "Aufgrund von theoretischen Berechnungen wurde dieser Effekt schon vor einigen Jahren vorhergesagt, wir sind nun die Ersten, die das experimentell bestätigen konnten", sagt Diebold.

In Simulationen berechneten die TU-Forscher Florian Mittendorfer und Wernfried Mayr-Schmölzer auch was passiert, wenn es auf dem Tanzparkett enger wird: Setzt sich nämlich ein zweites Wassermolekül neben das erste, hört die Drehbewegung auf. Außerdem zeigten die Wissenschafter, dass sich eine Vielzahl an Wassermolekülen auf der eigentlich gleichmäßigen Strontium-Ruthenat-Oberfläche nicht regelmäßig verteilt.

Dafür verantwortlich dürften Unregelmäßigkeiten im Material unterhalb der unmittelbaren Oberfläche sein. (APA, red, 23.12.2015)

  • Das Mineral Perowskit (oben) kommt in Batterien zum Einsatz. Nun wurde das Verhalten von Wasser auf seiner Oberfläche beobachtet (unten).
    foto: kelly nash

    Das Mineral Perowskit (oben) kommt in Batterien zum Einsatz. Nun wurde das Verhalten von Wasser auf seiner Oberfläche beobachtet (unten).

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    illu.: tu wien
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