Energieübertragung im Wasser

Für das Leben ist Wass­er eine essen­tielle Sub­stanz. Vor allem seine große Wärmeka­paz­ität macht Ozeane und Meere zu riesi­gen Wärme­spe­ich­ern für die Reg­ulierung des Erd­kli­mas. In leben­den Organ­is­men macht dieselbe Eigen­schaft Wass­er zu einem effizien­ten Wärmepuffer für die Funk­tion bio­chemis­ch­er Reak­tio­nen. Eine zen­trale Rolle spie­len dabei soge­nan­nte Wasser­stoff­brück­en­bindun­gen. Der Energiefluss in dem kom­plex­en Bindungsnet­zw­erk ist auf moleku­lar­er Ebene allerd­ings bis­lang nicht voll­ständig unter­sucht wor­den. Wis­senschaftlern der Uni­ver­sität Pader­born ist es nun gelun­gen, diese Bindun­gen nicht nur zu messen, son­dern auch durch einen hoch­en­er­getis­chen Laser gezielt zu bee­in­flussen. Ihre Ergeb­nisse wur­den jet­zt in der renom­mierten wis­senschaftlichen Fachzeitschrift „Sci­ence Advances“ veröffentlicht.

„Primär geht es um die Frage, wie sich die durch einen Ter­a­hertz-Laser induzierte Energie in wasser­stoff­brück­enge­bun­de­nen Flüs­sigkeit­en verteilt, wie sich das kon­trol­lieren und somit gezielt in chemis­chen Reak­tio­nen nutzen lässt. Ein ein­fach­es Beispiel für solche Prozesse ist Wass­er, das in der Mikrow­elle erhitzt wird“, sagt Prof. Dr. Thomas Kühne vom Depart­ment Chemie, der die Studie zusam­men mit seinem Kol­le­gen Dr. Hos­sam Elgabar­ty durchge­führt hat.

Die Wis­senschaftler haben mith­il­fe eines Ter­a­hertz-Lasers die kom­plexe Struk­tur des Net­zw­erks bee­in­flusst und damit die Struk­tur­dy­namik des Wassers bes­timmt. Dazu Elgabar­ty: „Um den moleku­laren Mech­a­nis­mus der Energiedis­si­pa­tion, also qua­si der Umwand­lung in Wärme, aufzuk­lären und die Rolle der kollek­tiv­en inter­moleku­laren Bewe­gun­gen in diesem Prozess zu ver­ste­hen, haben wir die Zeit­skala der Energiedis­si­pa­tion und auch die Stärke der inter­moleku­laren Wech­sel­wirkun­gen bestimmt.“

Durch die Ergeb­nisse kon­nten die Chemik­er außer­dem erst­ma­lig Hin­weise auf die zuvor bere­its the­o­retisch vorherge­sagte Asym­me­trie des Wasser­stoff­brück­en­bindungsnet­zw­erks liefern. „Mith­il­fe des Lasers, der diese Asym­me­trie wahrschein­lich gezielt her­vor­rufen kann, wäre es dann beispiel­sweise möglich, „on-water”-Reaktionen, die Gegen­stand unseres „GreenOn­Wa­ter­Cat“ ERC-Pro­jek­ts sind, zu katalysieren“, so Kühne. Dabei han­delt es sich um kat­alytis­che Prozesse, die auf Wasser­ober­flächen stat­tfind­en. Wass­er kön­nte somit nicht nur zu einem nach­halti­gen, son­dern auch beson­ders attrak­tiv­en Lösungsmit­tel für eine Vielzahl von rel­e­van­ten Syn­the­se­prozessen werden.