Zum ersten Mal haben EPFL-Forscher ausschließlich Moleküle beobachtet, die an Wasserstoffbrücken in flüssigem Wasser beteiligt sind. Dabei haben sie elektronische und nukleare Quanteneffekte gemessen, die bisher nur über theoretische Simulationen zugänglich waren.
Wasser ist ein Synonym für Leben, doch die dynamische, vielschichtige Wechselwirkung, die H2O-Moleküle zusammenbringt – die Wasserstoffbrücke – bleibt ein Rätsel. Wasserstoffbrücken entstehen, wenn Wasserstoff- und Sauerstoffatome zwischen Wassermolekülen miteinander interagieren und dabei elektronische Ladung teilen. Diese Ladungsteilung ist ein Schlüsselmerkmal des dreidimensionalen „H-Brücken“-Netzwerks, das flüssigem Wasser seine einzigartigen Eigenschaften verleiht. Doch die Quantenphänomene im Herzen solcher Netzwerke wurden bisher nur durch theoretische Simulationen verstanden.
Nun haben Forscher unter der Leitung von Sylvie Roke, Leiterin des Labors für grundlegende Biophotonik an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der EPFL, eine neue Methode veröffentlicht – die korrelierte Schwingungsspektroskopie (CVS) – mit der sie messen können, wie sich Wassermoleküle verhalten, wenn sie an H-Brücken-Netzwerken beteiligt sind. Entscheidend ist, dass die CVS es Wissenschaftlern ermöglicht, zwischen solchen beteiligten (interagierenden) Molekülen und zufällig verteilten, nicht H-Brücken-gebundenen (nicht-interagierenden) Molekülen zu unterscheiden. Im Gegensatz dazu liefert jede andere Methode Messungen beider Molekültypen gleichzeitig, was es unmöglich macht, zwischen ihnen zu unterscheiden.
Um zwischen interagierenden und nicht interagierenden Molekülen zu unterscheiden, beleuchteten die Wissenschaftler flüssiges Wasser mit Femtosekunden-Laserpulsen (eine Billiardstel Sekunde) im Nahinfrarotspektrum. Diese ultrakurzen Lichtblitze erzeugen winzige Ladungsschwingungen und Atomverschiebungen im Wasser, die die Emission von sichtbarem Licht auslösen. Dieses emittierte Licht erscheint in einem Streumuster, das wichtige Informationen über die räumliche Anordnung der Moleküle enthält, während die Farbe der Photonen Informationen über Atomverschiebungen innerhalb und zwischen den Molekülen enthält.
„Bei typischen Experimenten wird der spektrografische Detektor in einem 90-Grad-Winkel zum einfallenden Laserstrahl platziert, aber wir haben festgestellt, dass wir interagierende Moleküle untersuchen können, indem wir einfach die Detektorposition ändern und Spektren mit bestimmten Kombinationen von polarisiertem Licht aufzeichnen. Auf diese Weise können wir separate Spektren für nicht interagierende und interagierende Moleküle erstellen“, sagt Roke.
Das Team führte weitere Experimente durch, die darauf abzielten, mithilfe von CVS die elektronischen und nuklearen Quanteneffekte von H-Brücken-Netzwerken voneinander zu trennen, beispielsweise durch Veränderung des pH-Werts von Wasser durch Zugabe von Hydroxidionen (wodurch es basischer wird) oder Protonen (wodurch es saurer wird).
„Hydroxidionen und Protonen sind an der Bildung von Wasserstoffbrücken beteiligt, daher ändert sich die Reaktivität des Wassers, wenn sich der pH-Wert ändert“, sagt der Doktorand Mischa Flór, der Erstautor der Studie. „Mit CVS können wir nun genau quantifizieren, wie viel zusätzliche Ladung Hydroxidionen an Wasserstoffbrückennetzwerke abgeben (8 %) und wie viel Ladung Protonen daraus aufnehmen (4 %) – präzise Messungen, die experimentell bisher nicht möglich waren.“ Diese Werte wurden mithilfe fortgeschrittener Simulationen erklärt, die von Mitarbeitern in Frankreich, Italien und Großbritannien durchgeführt wurden.
Originalpublikation:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads4369
