Wasser in Edelstein aufgelöst

Bild: Аружан Жамбулатова [CC BY-SA 3.0] / Wikimedia Commons

Es ist eigentlich ein Ding der Unmöglichkeit: Forscher aus Russland, der Tschechischen Republik und Deutschland haben Wasser „aufgelöst“ – und zwar in einem Smaragd. In diesem völlig neuen Zustand von Wasser beobachteten die Forscher eine besondere Eigenschaft der H2O-Moleküle, die normalerweise unterdrückt wird.

Flüssiges Wasser ist ein Netzwerk aus Molekülen. Das macht den Lebensspender so einzigartig. Bild: Raimund Apfelbach [Public Domain] / Wikimedia Commons
Die international zusammenarbeitenden Teams um Prof. Martin Dressel von der Universität Stuttgart brachten die Wassermoleküle in winzige Hohlräume des Edelstein-Kristallgitters ein. Dadurch waren die einzelnen Moleküle so weit voneinander getrennt, dass sie keine Wasserstoff-Brückenbindungen mehr bildeten. Diese speziellen Bindungen sind unter anderem der Grund für die hohe Oberflächenspannung von Wasser. Sie entstehen weil die gewinkelten H2O-Moleküle zwei elektrische Ladungen tragen: Der Sauerstoff ist negativ und die beiden Wasserstoffe positiv; man spricht deshalb auch von einem Dipol. Weil sich gegensätzliche Ladungen anziehen,  zieht der negative Sauerstoff eines Wassermoleküls den Wasserstoff eines benachbarten Moleküls an, und so weiter. Ein ganzes, buchstäblich „fluides“ 3D-Netzwerk von Wassermolekülen entsteht.

Eingebettet in der geordneten Kristallstruktur eines künstlichen Smaragden konnten sich die Wassermoleküle zwar nicht mehr mit ihren Brückenbindungen „die Hand reichen“, aber sie waren immer noch nah genug aneinander um sich zu „sehen“. Sie richteten sich entsprechend ihrer elektrischen Ladungen aus – ähnlich wie kleine Magneten, bis auf dass die Ursache nicht magnetische, sondern eben elektrische Eigenschaften sind. Dieses Verhalten, das die Forscher in der Fachzeitschrift Nature Communications beschreiben, wird deshalb als „Ferro-Elektrizität“ bezeichnet und wurde für Wasser bis zu diesem Experiment nur vorhergesagt.

Bild: Gorshunov et al., Nature Comm., 2016, (7), 12842
Wie viele kleine Flaschenschiffe: Das Kristallgitter des Smaragden isoliert die Wassermoleküle so weit voneinander, dass sie keine Wasserstoffbrücken bilden können. Gleichzeitig sind sie sich aber so nah, dass ihre elektrischen Eigenschaften zum Tragen kommen. Bild: Gorshunov et al., Nature Comm., 2016, (7), 12842

Diese Beobachtung ist deshalb so grundlegend, weil Wasser die Grundlage von allem Leben ist, und zwar genau wegen seiner besonderen Eigenschaften, die wir noch längst nicht alle kennen, wie dieses Experiment eindrucksvoll zeigt.

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