Wissenschaft: Verborgene Muster auf der Wasseroberfläche entdeckt
Sa., 20. Aug. 2022
USA — Wissenschaftler in den USA haben Beweise dafür gefunden, dass die Oberfläche von flüssigem Wasser selbst bei Raumtemperatur eine Struktur aufweist, die bei Annäherung an die Wasser-Luft-Grenzfläche immer mehr wie Eis aussieht.
Phillip Geissler und Nathan Odendahl von der University of California, Berkeley, führten Computersimulationen der ungleichmäßigen Grenzfläche zwischen Luft und Wasser durch und identifizierten geordnete Motive, die ihrer Meinung nach erhebliche Gemeinsamkeiten mit Eis aufweisen.
Von der Atmosphäre bis zu den menschlichen Lungen spielen sich viele der wichtigsten Prozesse auf unserem Planeten an der Oberfläche eines Wassertropfens ab, so dass diese Forschung potenzielle Auswirkungen auf die gesamte Physik, Chemie und Biologie hat.
“Die Dinge, die wir über Jahrzehnte hinweg über Wasser in seiner massiven Umgebung zu verstehen versucht haben, werden an den Grenzflächen einfach falsch”, sagt Geissler, der Simulationen verwendete, um Wasser auf einer molekularen Ebene zu untersuchen, die in Experimenten nicht zugänglich ist.
Spektroskopische Messungen der Luft-Wasser-Grenzfläche haben überraschende Ergebnisse erbracht, die auf geordnete Wasserstoffbrückenbindungen an der Oberfläche hindeuten.
Geissler und Odendahl waren neugierig auf frühere Simulationen, die Eis als Bezugspunkt für die Struktur des Grenzflächenwassers vorschlugen, aber sie hielten diese Ergebnisse nicht für schlüssig. Daher entwickelten sie eine Methode, um detaillierter nach diesen Mustern zu suchen.
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Suche nach Struktur in der Unordnung
Da flüssiges Wasser ungeordnet ist, wussten die Forscher, dass die gesuchten Strukturen schwer zu finden sein würden, da sie sich nur über wenige Moleküle erstrecken und unter Rauschen verborgen sind.
Sie hatten die Idee, dass frühere Forscher Details übersehen hatten, weil sie die Grenzfläche als flache Ebene behandelt hatten, obwohl sie in Wirklichkeit weich und uneben ist.
Vor mehr als 10 Jahren wurde mit Arbeiten über weiche Luft-Wasser-Grenzflächen Pionierarbeit geleistet, bei denen parallel zur Oberfläche verlaufende Schichten entdeckt wurden, aber Geissler und Odendahl waren die ersten, die dies nutzten, um nach einem Zusammenhang mit Eis zu suchen.
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Geordnete Moleküle
Geissler sagte, er sei überrascht gewesen, als Odendahl ihm die ersten Ergebnisse zeigte, bei denen die Grenzflächen zwischen Eis und Wasser und Luft überlagert waren.
Sie argumentieren, dass die Schichten an der Wasseroberfläche mit dem zusätzlichen Detail der momentanen Grenzfläche in Unterschichten aufgeteilt werden können (siehe Abbildung oben).
Parallele Unterschichten sind ein Merkmal der Basalfläche von Eis, und sie zeigen, wovon das Duo überzeugt ist, eine verblüffende Ähnlichkeit zwischen diesen Schichten an den Grenzflächen von Eis und Wasser-Luft.
Anhand dieser Unterschichten verglichen Geissler und Odendahl die Ausrichtung der Moleküle, da diese für tetraedrische Wassermoleküle im Eis gut definiert ist.
Als die Forscher die bevorzugte Richtung der Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen in der Nähe der Wasseroberfläche kartierten, beobachteten sie eine Ordnung, die, so argumentierten sie weiter, einer Eisfläche zu entsprechen scheint.
Diese Muster halten sich über einige Moleküldurchmesser hinweg, was größer ist als die vorübergehenden tetraedrischen Strukturen, die man in normalem Wasser erwartet.
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Gebrochene Symmetrie zwingt Wasser zur Organisation
Odendahl begründete die Schlussfolgerungen: "Diese flexible Schnittstelle gab uns die Gewissheit, dass es sich nicht nur um ein paar zufällige Metriken handelt.
Wenn man sich die Dichte ansieht, wenn man sich die Ausrichtung ansieht, wenn man sich die verschiedenen Schichten ansieht - einfach alles, was wir uns ansahen, schien übereinzustimmen."
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Die Interpretation von Forschungsergebnissen zur statistischen Mechanik von Flüssigkeiten ist jedoch immer umstritten.
Die anhaltende Debatte über die Wasser-Luft-Grenzfläche wird auf die grundsätzliche Frage hinauslaufen, wie Eis definiert wird und ob man einer Struktur, die sich nur über einige wenige Moleküle erstreckt, kristallähnliche Eigenschaften nachsagen kann.
Wir haben jetzt diesen strukturellen Bezugspunkt, um über diese strukturellen Motive nachzudenken, und ich denke, dass sich dies letztendlich als ein sehr nützliches konzeptionelles Werkzeug erweisen wird", so Geissler über ihre Ergebnisse.
Die Forschungsarbeit wird im Journal of the American Chemical Society beschrieben.
