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Wasserstruktur: Struktur des kleinsten dreidimensionalen Wasserclusters aufgeklärt

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Dank der starken Bindungen der Moleküle untereinander bildet Wasser auch im flüssigen Zustand geordnete Strukturen, die großen Einfluss auf seine chemischen und physikalischen Eigenschaften haben. Wie diese Strukturen aussehen ist allerdings noch unklar, da sie extrem kurzlebig und schwer zu detektieren sind. Deswegen erforschen Wissenschaftler Cluster aus wenigen Wassermolekülen, um deren jeweils energieärmsten Konfigurationen zu ermitteln. Für Cluster von bis zu fünf Wassermolekülen ist das bereits gelungen, diese Gruppen bilden allesamt flache Ringe. Der erste Wassercluster, der sich aus der Ebene heraus in die dritte Dimension erhebt und deswegen Rückschlüsse auf die Struktur realen Wassers erlaubt, ist der Sechser-Cluster, und der hat sich Wissenschaftlern bisher entzogen.

Ein Team um Brooks Pate von der University of Virginia hat nun die Strukturen dieser Wassercluster in einem Überschalljet analysiert. Die stabilste Struktur ist demnach die Käfigstruktur, gefolgt vom Prisma und der Buch-Struktur. Letztere ist allerdings bei höheren Temperaturen durch ihre höhere Entropie günstiger. Neben diesen Anordungen fanden die Forscher auch noch Signale, die sie auf Cluster aus sieben und neun Wassermolekülen zurückführen. Für ihre Messungen verwendeten die Forscher Wasser, das sie mit dem schweren Sauerstoffisotop 18O markiert hatten. Dieses konnten sie in Mikrowellen-Rotationsspektren eindeutig identifizieren und jeweils die Position in den Clustern bestimmen. Daraus leiteten sie nicht nur die Form der jeweiligen Cluster ab, sondern auch, wie häufig sie in den Wasserproben auftreten.

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Dreidimensionale Wassercluster | Die drei energieärmsten Strukturen aus sechs Wassermolekülen. Pate und seine Kollegen identifizierten die Cluster mit Hilfe isotopenmarkierter Wassermoleküle und Rotationsspektroskopie.

Für die theoretische Chemie mit Computermethoden ist der Cluster aus sechs Wassermolekülen ein besonderer Prüfstein, denn es existieren diverse Strukturen mit nahezu minimaler Energie, deren stabilste nur schwer präzise zu ermitteln ist. Selbst gängige Modelle, die in anderen Systemen sehr erfolgreich sind, sagen gelegentlich nachweislich falsche Strukturen voraus. Die von den Forschern gefundenen Strukturen bestätigen, dass die drei von Computersimulationen vorhergesagten Strukturen tatsächlich den Energieminima entsprechen. Damit seien die Forscher auf dem Weg zu einem universellen Computermodell des Wassers einen großen Schritt vorangekommen, schreiben die Chemiker Richard Saykally und David Wales in einem Kommentar zu der Veröffentlichung.

Allerdings sagten die Modelle die Prisma-Struktur als energieärmste Struktur vorher, während im Experiment die Käfigstruktur günstiger ist. Außerdem ist noch unklar, wie die Strukturen dynamisch ineinander übergehen. Die spektroskopischen Daten weisen auf Schwingungszustände hin, die über die kompletten Cluster delokalisiert sind und potentiell Auswirkungen auf deren Eigenschaften haben.

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  • Quellen
Science 336, S. 897 – 901, 2012

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