Wissenschaftler in den USA haben Beweise dafür gefunden, dass die Oberfläche von flüssigem Wasser selbst bei Raumtemperatur eine Struktur hat, die immer mehr wie Eis aussieht, wenn man sich der Wasser-Luft-Grenzfläche nähert. Phillip Geissler und Nathan Odendahl von der University of California, Berkeley, Computersimulationen durchgeführt der unebenen Grenzfläche zwischen Luft und Wasser und identifizierte geordnete Motive, von denen sie argumentieren, dass sie erhebliche Gemeinsamkeiten mit Eis aufweisen.
Von der Atmosphäre bis zur menschlichen Lunge finden viele der wichtigsten Prozesse auf dem Planeten an der Oberfläche eines Wassertropfens statt, was dieser Forschung potenzielle Auswirkungen auf Physik, Chemie und Biologie verleiht.
„Die Dinge, an denen wir so viele Jahrzehnte gearbeitet haben, um Wasser in seiner Massenumgebung zu verstehen, werden an Grenzflächen einfach falsch“, sagte Geissler, der Simulationen verwendete, um Wasser auf einer molekularen Ebene zu untersuchen, die in Experimenten nicht zugänglich ist. Spektroskopische Messungen an der Luft-Wasser-Grenzfläche haben überraschende Ergebnisse geliefert, 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, hielten diese Ergebnisse jedoch nicht für schlüssig. Als Ergebnis entwickelten sie einen Weg, um detaillierter nach diesen Mustern zu suchen.
Suche nach Struktur in der Unordnung
Flüssiges Wasser ist ungeordnet, daher wussten die Forscher, dass die gesuchten Strukturen schwer zu finden sein würden, da sie sich nur über wenige Moleküle erstrecken und unter Rauschen begraben wären. Sie hatten die Idee, dass früheren Forschern Details fehlten, weil sie die Grenzfläche als flache Ebene behandelt hatten, obwohl sie eigentlich weich und uneben war. Die Arbeit an weichen Luft-Wasser-Grenzflächen wurde vor über 10 Jahren begonnen und enthüllte Schichten parallel zur Oberfläche, aber Geissler und Odendahl waren die ersten, die dies nutzten, um nach einer Verbindung mit Eis zu suchen.
Geissler sagte, er sei überrascht gewesen, als Odendahl ihm die ersten Ergebnisse der Überlagerung der Eis- und Wasser-Luft-Grenzflächen zeigte. Sie argumentieren, dass mit dem zusätzlichen Detail der momentanen Grenzfläche die Schichten an der Wasseroberfläche in Unterschichten aufgeteilt werden können (siehe Abbildung oben). Parallele Unterschichten sind ein Merkmal der Grundfläche des Eises, und sie zeigen, davon ist das Duo überzeugt, eine verblüffende Ähnlichkeit zwischen diesen Schichten in der Eis- und Wasser-Luft-Grenzfläche.
Anhand dieser Unterschichten als Bezugspunkt verglichen Geissler und Odendahl die Orientierungen der Moleküle, da sie wussten, dass dies für tetraedrische Wassermoleküle in 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 ihrer Meinung nach einer Eisfläche zu entsprechen schien. Diese Muster halten über einige wenige Moleküldurchmesser, was größer ist als die transienten tetraedrischen Strukturen, die in Massenwasser erwartet werden.
Gebrochene Symmetrie zwingt Wasser zur Organisation
Odendahl argumentierte für ihre Schlussfolgerungen: „Diese flexible Schnittstelle hat uns wirklich das Vertrauen gegeben zu sagen, dass es nicht nur ein paar zufällige Metriken sind. Wenn Sie sich die Dichte ansehen, wenn Sie sich die Ausrichtung ansehen, wenn Sie sich die mehreren Schichten ansehen, alles, was wir uns angesehen haben, schien es eine Übereinstimmung zu geben.“
Wasser erweist sich an Grenzflächen als elektrisch tot
Die Interpretation der Forschung zur statistischen Mechanik von Flüssigkeiten ist jedoch immer umstritten. Die anhaltende Debatte über die Wasser-Luft-Grenzfläche wird auf die grundlegende Frage hinauslaufen, wie Eis definiert wird und ob man sagen kann, dass eine Struktur, die sich nur über wenige Moleküle erstreckt, kristallähnliche Eigenschaften hat. Über ihre Ergebnisse nachdenkend, sagte Geissler: „Wir haben jetzt diesen strukturellen Bezugspunkt, um über diese strukturellen Motive nachzudenken, und ich denke, dass sich das am Ende als sehr nützliches konzeptionelles Werkzeug erweisen wird.“
Die Forschung ist in der beschrieben Journal of the American Chemical Society.
