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Oberflächenphysik: Keine Fernordnung im Wasser

Wassermolekül
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass eine Grenzfläche in flüssigem Wasser keine Fernordnung erzeugt. Alexander Benderskii der University of Southern California untersuchte mit seinen Kollegen den Übergang zwischen Wasser und Luft. Durch gezielte Messung der Vibrationsspektren an der Oberfläche fanden sie heraus, dass sich nur die Moleküle in der obersten Schicht ausrichten, bereits ab der zweiten Moleküllage ordnen sie sich zufällig an.

An der Oberfläche treffen die Wassermoleküle auf die umgebenden Luftmoleküle und ordnen sich deswegen anders an als im Innern, wo sie nur von anderen Wassermolekülen umgeben sind und sich ungeordnet bewegen. Wie weit die von der Oberfläche erzwungene Anordnung ins Wasser hinein reicht und ob dadurch ein Memoryeffekt in flüssigem Wasser zustande kommt, wird in der Wissenschaft kontrovers diskutiert. Um herauszufinden, inwieweit die Grenzfläche das Verhalten der Wassermoleküle auch in großer Entfernung beeinflusst, bestimmten die Forscher um Benderskii, bei welchem Abstand zur Oberfläche sich die Wassermoleküle noch geordnet verhalten. Dieser Abstand gibt an, wie groß der Einfluss der Grenzfläche auf die Wassermoleküle ist und gibt daher Aufschluss darüber, wie weit ins Wasser hinein die veränderte Anordnung reicht.

Um herauszufinden, was an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft passiert, nahmen die Forscher zunächst ein Vibrationsspektrum der Wasseroberfläche auf, das die Schwingungen der Moleküle an der Oberfläche darstellt. Damit konnten sie die Anziehungskraft zwischen den herausragenden Wasserstoffatomen des Wassers und dem Sauerstoff der Luft bestimmen.

Wasseroberfläche | Die Wassermoleküle an der Oberfläche richten sich so aus, dass eines der Wasserstoffatome (blau) in die Luft ragt. Darunter bewegen sich die Moleküle frei.
Anschließend verglichen sie ihre Ergebnisse mit der Anziehungskraft zwischen unterschiedlichen Wassermolekülen inmitten der Flüssigkeit. Dabei stellten sie fest, dass sich lediglich einige Wassermoleküle der obersten Schicht direkt an der Grenzfläche von den übrigen Wassermolekülen unterscheiden. Schon ab der zweiten Molekülschicht unterhalb der Oberfläche – also bereits nach etwa 0,3 Nanometern – verhalten sich alle Wassermoleküle identisch und bewegen sich völlig ungeordnet. (jf)

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