Eine einzelne Schicht aus Wassermolekülen verhält sich gänzlich anders als ein dreidimensionaler Wasserkörper. Diese grundlegende Wahrheit hat ein Team von Forschenden erstmals experimentell bestätigt, indem es eine ultradünne Schicht Wasser erzeugte, die nur aus einer Lage H₂O-Moleküle besteht. Die Untersuchungen daran zeigen: Zwingt man Wassermoleküle in eine einzelne Schicht, dann entstehen Bereiche, in denen die Moleküle starke Bindungen untereinander ausbilden; doch dazwischen befinden sich auch Wassermoleküle, die komplett isoliert sind. Das hat die Fachleute überrascht, da Wassermoleküle für gewöhnlich Bindungen zu ihren Nachbarn ausbilden, sowohl in flüssigem Wasser als auch in Eis.

Um die Miniaturkanäle herzustellen, in die genau eine Schicht Wassermoleküle passte, kombinierten die Forschenden die beiden 2D-Materialien Graphen und hexagonales Bornitrid. Daraus konstruierten sie winzige Kanäle mit nur wenigen Angström (zehntel Nanometern) Durchmesser. Das Wasser in diesen Kanälen vermaß das Forschungsteam mit Infrarotspektroskopie und erhielt dadurch Aufschluss über die Schwingungen der eingesperrten Moleküle. Die gemessenen Schwingungsfrequenzen geben Auskunft über die molekulare Struktur und die Art der Bindungen.

Die Messungen zeigten, dass innerhalb der Monoschicht Wasser verschieden gebundene Moleküle existierten: solche mit Bindungen zu ihren Nachbarn – sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen – und dazwischen völlig ungebundene. Anders als erwartet, waren die »einsamen« Wassermoleküle dabei nicht unbedingt in eine andere Richtung orientiert als die gebundenen. Dann hätten sie etwa im 90-Grad-Winkel zum Rest der Kette gestanden, sodass sie rein aus geometrischen Gründen nicht an den Bindungen teilnehmen konnten. Stattdessen befanden sie sich mit ihnen quasi in Reih und Glied – und trotzdem blieb rund ein Viertel der so angeordneten Bindungen frei, anders, als man es von Wasser gewöhnt ist. Die Ergebnisse könnten helfen, chemische Reaktionen an den Grenzflächen wässriger Lösungen besser zu verstehen, die in der Medizin, der Biologie und der Elektrochemie wichtig sind.