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Extrem schnelle Fluktuationen in flüssigem Wasser


09.03.2005

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Informationsdienst Wissenschaft - idw - Pressemitteilung
Forschungsverbund Berlin e.V., Josef Zens, 09.03.2005 19:00

Das kurze Gedächtnis des Wassers

Forscher des Max-Born-Instituts und der University of Toronto weisen
extrem schnelle Fluktuationen in flüssigem Wasser nach

Publikation in Nature 

Einen Forscherteam des Max-Born-Instituts in Berlin-Adlershof und der
University of Toronto ist es erstmals gelungen, ultraschnelle
Fluktuationen in der Struktur von flüssigem Wasser nachzuweisen. Die
Wissenschaftler nutzten dazu neue Methoden der Femtosekunden-
Schwingungsspektroskopie. Wie sie in der aktuellen Ausgabe von Nature
(Bd. 434, Seite 199) berichten, geht in dem fluktuierenden Netzwerk
gekoppelter Wassermoleküle das strukturelle Gedächtnis  innerhalb von
50 Femtosekunden verloren, schneller als in jeder anderen Flüssigkeit.
Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Wasser (H2O) ist eine der Grundlagen des Lebens auf der Erde. Es dient
als Medium für die wichtigsten biologischen Vorgänge, sei es als
"Lösungsmittel" für Biomoleküle, sei es als Lieferant von Protonen für
den Transport von Ladungen. Flüssiges Wasser besteht aus einem
ungeordneten Netzwerk von Molekülen, das durch schwache chemische
Bindungen (die so genannten Wasserstoffbrücken) zusammengehalten wird.
Dieses Netzwerk unterliegt ständigen Fluktuationen, das heißt, die
Anordnung der Wassermoleküle und ihre Wechselwirkung ändern sich
ständig. Dabei werden Wasserstoffbrücken immer wieder gebrochen und
neu geformt. Trotz intensiver Forschung ist die strukturelle Dynamik
des Wassers, die wesentlich im Femtosekundenbereich abläuft, erst in
Ansätzen bekannt.

In den in Berlin durchgeführten Experimenten regt ein Lichtimpuls in
einem extrem dünnen Wasserfilm lokal eine molekulare Schwingung an:
die Streckschwingung eines Wassermoleküls (siehe auch Animation 1).
Der Wasserfilm ist 0,5 Mikrometer dünn. Zum Vergleich: Ein
menschliches Haar ist hundertmal dicker. Der infrarote Lichtimpuls
(Wellenlänge: 3 Mikrometer) dauert 70 fs.

Das von dem Lichtimpuls zum Schwingen angeregte Molekül dient als
Sonde für die Fluktuationen des molekularen Netzwerks, die zu einer
Veränderung der Schwingungsfrequenz und -phase führen. Mit dem
Verfahren der "zweidimensionalen Schwingungsspektroskopie" machen die
Wissenschaftler am MBI diese Änderungen in Echtzeit sichtbar und
bestimmen daraus Zeitskala und Mechanismus der Fluktuationen. Dabei
zeigt sich, dass die zum Zeitpunkt der Schwingungsanregung vorliegende
Struktur des Netzwerks innerhalb von zirka fünfzig Femtosekunden
verloren geht, einem Zeitintervall, das viel kürzer ist als die
Lebensdauer einer Wasserstoffbrücke von ungefähr tausend
Fentosekunden.

Ursache des schnellen Strukturverlusts sind gehinderte Kipp- und
Rotationsbewegungen der gekoppelten Moleküle, die Wissenschaftler
sprechen von "Librationen" der Wasserstoffbrücken. Diese verändern die
relative Orientierung der Wassermoleküle zueinander und tragen so zum
Verlust des strukturellen Gedächtnisses in der Flüssigkeit bei
(Animation 2). Gleichzeitig wird auf einer etwas langsameren Zeitskala
von 100 fs die anfänglich lokalisierte Schwingungsanregung auf die
Nachbarmoleküle übertragen. Die ultraschnelle strukturelle Dynamik und
der extrem schnelle Zerfall lokaler Anregungen sind entscheidend für
die Stabilisierung von biologischen Systemen in wässriger Umgebung.

Die Ergebnisse der deutsch-kanadischen Zusammenarbeit, die von der
Deutschen Forschungsgemeinschaft (Sonderforschungsbereich 450) und der
Alexander-von-Humboldt-Stiftung (Humboldt-Preis für R.J.Dwayne Miller)
gefördert wurden, zeigen erstmals das extrem kurze strukturelle
Gedächtnis von reinem Wasser. Die Analyse dieses Verhaltens in
ähnlichen Systemen, zum Beispiel in wässrigen Lösungen, und seine
Bedeutung für biologische Funktionen werden Gegenstand weiterer
gemeinsamer Untersuchungen sein.

Ansprechpartner am MBI:

Prof. Dr. Thomas Elsässer
Tel. 030 6392 1400
E-mail elsasser {at} mbi-berlin.de

Dr. Erik T.J. Nibbering
Tel. 030 6391 1477
E-mail nibberin {at} mbi-berlin.de

Nils Huse
Tel. 030 6392 1414
E-mail huse {at} mbi-berlin.de

Animation 1
   Streckschwingung des Wassermoleküls. Ein ultrakurzer Lichtimpuls 
   regt die asymmetrische Streckschwingung des gewinkelten 
   Wassermoleküls an
   (rot: Sauerstoffatom, grau: Wasserstoffatome). 
   Das Wassermolekül ist eingebettet in ein Netzwerk von 
   Wasserstoffbrücken zwischen den Wasserstoffatomen und 
   Sauerstoffatomen auf benachbarten Molekülen (kleine graue Symbole). 
   Gezeigt sind die Auslenkungen der Atome während der 
   Streckschwingung, eine Schwingungsperiode dauert 10 Femtosekunden.
   (Animation von J. Dreyer, MBI)

   Hier finden Sie die Animation: 
   http://www.fv-berlin.de/pm_archiv/2005/fotos/animation1.gif

Animation 2
   Librationsbewegung des Wassers. Librationsbewegungen verändern die
   relative Orientierung der Wassermoleküle zueinander und tragen so zum
   Verlust des strukturellen Gedächtnisses in der Flüssigkeit bei. 
   Eine Schwingungsperiode der gezeigten Libration dauert ungefähr 
   40 Femtosekunden.
   (Animation von J. Dreyer, MBI)

   Hier finden Sie die Animation: 
   http://www.fv-berlin.de/pm_archiv/2005/fotos/libration.gif


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http://idw-online.de/pages/de/image15753

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