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Wiener Physiker schauen Wassermolekülen beim Brückenbauen zu

Phänomen zeigt sich bei niedrigen Temperaturen auf Eisenoxid-Oberflächen und beeinflusst dort chemische Reaktionen

Dass Wassermoleküle auf bestimmten Oberflächen brückenartige Strukturen ausbilden können, haben Wissenschafter schon vermutet.

Physiker der Technischen Universität (TU) Wien konnten dieses Schauspiel nun mit einem besonderen Mix an ausgeklügelten Beobachtungsmethoden erstmals dokumentieren und berichten darüber im Fachblatt "Pnas".

Das Team um Gareth Parkinson und Ulrike Diebold vom Institut für angewandte Physik der TU nahmen im Zuge ihrer Untersuchung das Verhalten von Wassermolekülen auf Eisenoxid-Oberflächen ins Visier. Wie diese Moleküle dort Strukturen bilden, ist für den Ablauf von chemischen Reaktionen auf der Oberfläche ausschlaggebend, heißt es am Montag in einer Aussendung der Uni.

Das Besondere an Wassermolekülen ist, dass sie sogenannte Wasserstoff-Brückenbindungen ausbilden können, da die elektrische Ladung im Molekül nicht gleichmäßig verteilt ist. "Das Sauerstoff-Atom ist ein bisschen negativ geladen, die Wasserstoffatome ein bisschen positiv", so Parkinson. Das ist die Voraussetzung für die Bildung der Brücken, die beispielsweise wiederum dafür verantwortlich sind, dass Wasser erst bei rund 100 Grad Celsius zum Kochen beginnt. Während sich diese molekularen Beziehungen im Normalfall in Sekundenbruchteilen wieder auflösen, vermutete man bereits aufgrund "indirekter Hinweise", dass sie bei niedrigen Temperaturen auf Oberflächen durchaus stabile und komplex aufgebaute Gebilde formen können, so Diebold.

Für ihre nunmehrigen Beobachtungen griffen die Forscher tief in die methodische Trickkiste: "Um die Struktur des Wassers auf Eisenoxid-Oberflächen wirklich sichtbar zu machen, mussten wir die neuesten und besten Messmethoden noch weiter verbessern und ganz an die Grenzen des Möglichen gehen", sagte Diebold.

Die Physiker bliesen bei niedrigen Temperaturen im Vakuum einen Strahl aus Wassermolekülen auf die Eisenoxid-Oberfläche. Dann wurde der Aufbau langsam erwärmt. Bei rund minus 30 Grad Celsius begannen die Wasserstrukturen aufzubrechen. Die Moleküle verlassen dann die Oberfläche und können gemessen werden. "Daraus kann man auf die Bindungsenergie schließen - und das sagt uns, um welche Molekül-Strukturen es sich gehandelt hat", so Parkinson.

Mit Hilfe eines Hochleistungsmikroskops, das an der TU mit einer neu entwickelten, speziellen Vibrationsdämpfung ausgestattet wurde, erstellten die Wissenschafter überdies hochauflösende Bilder von den Strukturen auf der Oberfläche. Außerdem sammelte man mittels Computersimulationen zusätzliche Informationen über die geometrische Anordnung der Moleküle. Parkinson: "Alle drei Analysen stimmen bestens überein, daher können wir mit großer Sicherheit sagen, dass wir die Strukturbildung von Wasser auf Eisenoxid-Oberflächen nun verstehen."

Gefunden hat das Team dort vor allem Molekül-Paare oder Dreier-Gruppen. Überdies bildeten sich auch jene komplexeren Strukturen mit sechs oder acht Molekülen, die sich wie Brückenbögen über die Eisenoxid-Oberfläche spannen.

(S E R V I C E - https://doi.org/10.1073/pnas.1801661115)

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