Die geheimnisvolle Bewegung von Wassermolekülen

16.01.2020 - Österreich

Wasser ist genauso lebenswichtig wie alltäglich. Trotzdem ist sein Verhalten auf atomarer Ebene wenig erforscht – vor allem die Wechselwirkung mit Oberflächen. Forscher der TU Graz geben in Nature Communications dank einer neuen experimentellen Methode atomare Einblicke in die Bewegung von Wassermolekülen.

Wasser ist eine geheimnisvolle Substanz. Sein Verhalten auf atomarer Ebene zu verstehen, bleibt eine Herausforderung für Experimentalphysiker, da die leichten Wasser- und Sauerstoffatome mit herkömmlichen experimentellen Methoden schwer zu beobachten sind. Das trifft vor allem zu, wenn man die mikroskopischen Bewegungen von einzelnen Wassermolekülen beobachten möchte, die innerhalb von Pikosekunden auf einer Oberfläche ablaufen. In ihrer Arbeit konnten Forscher der Arbeitsgruppe Exotic Surfaces des Instituts für Experimentalphysik der TU Graz gemeinsam mit Forschern vom Cavendish Laboratory, der University of Surrey und der Aarhus University nun einen großen Fortschritt erzielen und das Verhalten von Wasser auf einem derzeit besonders interessanten Material erforschen: dem topologischen Isolator Bismuttellurid. Bismuttellurid könnte für den Bau von Quantencomputern eingesetzt werden. Wasserdampf wäre dann ein Umwelteinfluss, dem aus Bismuttellurid gebaute Anwendungen im realen Betrieb ausgesetzt sein könnten.

Das Forschungsteam kombinierte für seine Untersuchungen eine neue experimentelle Methode – die Helium-Spin-Echo-Spektroskopie – mit theoretischen Berechnungen. Die Helium-Spin-Echo-Spektroskopie nutzt Heliumatome mit sehr niedriger Energie, die es erlauben, isolierte Wassermoleküle zu beobachten, ohne dabei deren Bewegung zu beeinflussen. Dabei fanden sie heraus, dass sich Wassermoleküle auf Bismuttellurid gänzlich anders verhalten, als auf Standardmetallen. Auf herkömmlichen Materialien zeigen Wassermoleküle anziehende Bewegungen und bilden Ansammlungen in Form von Wasserfilmen. Bei topologischen Isolatoren ist genau das Gegenteil der Fall: Die Wassermoleküle stoßen einander ab, und bleiben auf der Oberfläche isoliert.

Bismuttellurid scheint somit relativ unempfindlich gegenüber Wasser zu sein was von Vorteil für Anwendungen unter herkömmlichen Umweltbedienungen ist. Weitere Experimente an ähnlich aufgebauten Oberflächen sind bereits in Planung und sollen klären ob die Bewegung der Wassermoleküle auf spezielle Eigenschaften der untersuchten Oberfläche zurück zu führen sind.