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Es fällt vom Himmel, kommt aus dem Wasserhahn und ist von enormer Wichtigkeit für Natur und Mensch. Die sehr alltägliche Substanz ist auf molekularer Ebene dennoch wenig verstanden, wie nun auch die jüngste Studie von Experimentalphysikern aus Graz und Surrey zeigt. "Wir neigen dazu, Wasser als simpel anzusehen, aber auf molekularer Ebene verhält es sich ziemlich außergewöhnlich", erklärte Marco Sacchi von der Universität Surrey mit Sitz im britischen Guildford. So würde die jüngste Studie zeigen, dass selbst kleinste Details auf einer Oberfläche das Bewegungsverhalten von Wassermolekülen gravierend verändern können.
Die Forschenden aus Graz und Guildford beobachteten, wie sich einzelne Wassermoleküle über ultradünnen Materialien verhalten. Im Falle von Graphen und h-BN besitzen beide Materialien eine wabenförmige Struktur. Das Team hat die Bewegungen des Wassers mit einer hochpräzisen Technik namens Helium-Spin-Echo-Spektroskopie beobachtet. Dabei zeigte sich, dass sich Wassermoleküle auf h-BN wie ein winziger Kreisel drehen und rollen, während sie sich auf Graphen springend fortbewegen. "Es ist fast so, als würde das Molekül gehen statt hüpfen", zeigte sich der Grazer Experimentalphysiker Anton Tamtögl erstaunt.
Die kontinuierliche, rotierende Bewegung auf h-BN war aus Tamtögls Sicht "völlig unerwartet." Um zu verstehen, warum das so ist, modellierten die Forscher die Bewegung auf atomarer Ebene mittels Computersimulationen. Dabei erkannten sie, dass Wasser auf h-BN leichter gleitet, wenn dieses Material auf einer Nickelschicht liegt. Es gibt dort weniger Reibung, wodurch sich ein einzelnes Wassermolekül einfacher darüber hinwegbewegen kann.
Auf Graphen sei es umgekehrt: Das Metall darunter "verbindet" die inneren Schwingungen des Wassermoleküls stärker mit der Oberfläche des Kohlenstoffmaterials. Dadurch entstehe mehr Reibung, und das Molekül könne sich weniger geschmeidig fortbewegen. "Die Unterlage unter dem 2D-Material erwies sich als entscheidend. Sie kann das Verhalten von Wasser komplett verändern - und sogar das Gegenteil von dem bewirken, was wir erwartet hatten", erläuterte Sacchi.
Die neuen Erkenntnisse könnten für weitere Entwicklungen relevant werden: "Wenn wir durch die Wahl des richtigen Materials und Substrats die Bewegung von Wasser steuern können, könnten wir Oberflächen entwickeln, die die Benetzung kontrollieren oder der Vereisung widerstehen", erklärte Tamtögl. Das könnte im Bereich der Enteisungsbeschichtung oder der Entwicklung von mikrofluidischen Geräten ebenso interessant werden, wie bei der Schmierstoffentwicklung.
WIEN - ÖSTERREICH: FOTO: APA/TU Graz/A. Tamtögl
