Wissenschaftler entwickeln eine neue Methode zum Verständnis von Quanteneffekten in Wasser
Mit Substitution von Sauerstoffisotopen werden sich Strukturen von Oxiden genauer modellieren lassen, wie sie überall vorkommen, von biologischen Prozessen bis zu elektronischen Bauelementen.
Es bedeckt mehr als zwei Drittel unseres Planeten, ist unabdingbar für das Leben auf der Erde, und seine chemische Formel ist eine der wenigen, die die meisten Leute kennen. Dennoch gibt es immer noch viel Neues über die Struktur von H2O zu erfahren. Jetzt haben Forscher in Grenoble eine neue Methode zur detaillierten Untersuchung der Struktur ungeordneter Oxide wie Wasser in biologischen Prozessen oder von Gläsern in Lasern und nachrichtentechnischen Komponenten entwickelt. Dabei verwendeten sie Sauerstoffisotope für die Messung feiner, aus der Quantenmechanik folgender Unterschiede zwischen der molekularen Anordnung von leichtem und schwerem Wasser. Dank dieser neuen Methode konnte ein Team vom Institut Laue-Langevin (ILL), der Universität Bath, dem Oak Ridge National Laboratory und der Universität Stanford ein neues theoretisches Modell für die Struktur des Wassers bestätigen.
Am ILL werden strukturelle Materialeigenschaften mit Neutronen untersucht, die wie „Super-Röntgenstrahlen“ wirken; die Methode heißt Neutronenstreuung. Wenn sich Neutronen durch Materie bewegen, „prallen“ sie häufig an Atomkernen ab (richtiger: sie werden gestreut), was ihre Flugbahnen ändert. Mit dem Nachweis dieser gestreuten Neutronen können dann detaillierte Karten der Molekularstruktur der Probe erstellt werden. Um mehr über die Position bestimmter Atome innerhalb der Probe herauszufinden, verwenden Wissenschaftler einen Isotopensubstitution genannten Trick, bei dem die Streulänge (also die Fähigkeit, Neutronen „abprallen“ zu lassen) eines bestimmten Elements durch Substitution eines seiner Isotope durch ein anderes „abgestimmt“ wird. Damit können sie die Struktur der Nachbarschaft um die Atome des gewählten Elements herum genau bestimmen.
In der modernen Strukturanalyse ersetzen Forscher üblicherweise Wasserstoff durch sein schwereres Isotop Deuterium, um die Positionen von Atomen in Wasser oder anderen Wasserstoff enthaltenden Materialien zu bestimmen. Diese „H/D-Substitution“-Methode ist auch bei der Analyse von Wasserstoffspeichermaterialien oder Brennstoffzellen üblich. Bei Neutronenstreuung gibt es jedoch Probleme mit der H/D-Substitution. Die Masse des leichteren Wasserstoffisotops ist vergleichbar mit der des Neutrons, was zu ungenauen Streudaten führt und die Strukturbestimmung schwieriger macht. Außerdem kann man den Unterschied zwischen den Positionen von Wasserstoffatomen in H2O gegenüber denen von Deuteriumatomen in D2O nicht mit H/D-Substitution untersuchen, weil die Methode unterstellt, dass H- und D-Atome dieselbe Position haben.
Sauerstoff hat drei Isotope: 16O, 17O und 18O. Er ist wie Wasserstoff ein allgegenwärtiges Element auf der Erde und spielt in vielen wissenschaftlichen Disziplinen eine bedeutende Rolle. Man findet ihn häufig in strukturell ungeordneten Materialien wie Silikaten in der Planetenforschung, in Gläsern für Laser und optische Nachrichtentechnik, in Oxidschichten elektronischer Schaltkreise auf Siliziumbasis, sowie in Wasser bei biologischen Vorgängen. Bisher aber war die Annahme vorherrschend, dass der Unterschied in der Streulänge zwischen diesen Isotopen zu gering ist, um die Methode der Isotopensubstitution bei Neutronenstreuung anwenden zu können.
Das Team am ILL überprüfte diese Annahme mit Neutroneninterferometrie – einer Methode, bei der Neutronen als kohärente Quantenwellen eine sehr genaue Messung der Streulänge von Atomen in einer Probe erlauben. Mit den hochempfindlichen Geräten am ILL zeigte das Team, dass der Unterschied zwischen der Streulänge zweier verschiedener Sauerstoffisotope tatsächlich sechsmal größer ist, als in der Literatur berichtet.
Professor Philip Salmon von der Universität Bath sagt: „Mit diesem größeren Kontrast konnten wir zeigen, dass der Unterschied der Streulängen zwischen den Sauerstoffisotopen gerade groß genug ist, um Neutronenstreuung zu einer glaubhaften Methode zur Untersuchung der Struktur von Oxiden zu machen.“
Um das leistungsfähige Potenzial seiner neuen Methode zu zeigen, wandte sich das Team der Struktur des am besten bekannten Oxids in der Natur – dem flüssigen Wasser – zu, bei dem ungenaue Ergebnisse mit Wasserstoffisotopensubstitution eine gewisse Unsicherheit hervorgerufen haben. Insbesondere war das Team am Vergleich von Strukturdifferenzen zwischen leichtem (H2O) und schwerem (D2O) Wasser interessiert.
„Struktur und Dynamik von Wasser waren lange kontroverse Themen, weil sie tief greifende Auswirkungen auf biologische Prozesse haben und die Unterschiede zwischen schwerem und leichtem Wasser dramatisch sein können. Beispielsweise gehen die meisten Organismen möglicherweise in einer D2O-Umgebung zugrunde, während sie in H2O gedeihen“, sagt Dr. Henry Fischer, Physiker am ILL, der mit Prof. Salmon an dieser Veröffentlichung arbeitete.
Prof. Salmon und sein Team analysierten mit Sauerstoffisotopensubstitution den Unterschied zwischen den Längen von O-H- und O-D-Bindungen in Wassermolekülen. Sie fanden, dass O-H-Bindungen um ein halbes Prozent länger sind als O-D-Bindungen – das erste Mal, dass jemand mit einer solchen extremen Genauigkeit diesen wesentlichen Unterschied zwischen der Molekularstruktur von leichtem und schwerem Wasser gemessen hat.
Ihre Ergebnisse wurden dann mit quantenmechanischen Vorhersagen mittels Pfadintegralmethoden verglichen, um zu sehen, ob sie eine gewisse Unsicherheit im Strukturmodell für flüssiges Wasser klären können. Frühere mathematische Modelle nahmen häufig einfache starre Moleküle an, bei denen sich die Bindungslänge nicht ändert. Jetzt stellte sich aber heraus, dass solche Modelle nicht ausreichen, um den Quanteneffekten Rechnung zu tragen, die zu den beobachteten Strukturunterschieden zwischen H2O und D2O führen. Quantenmechanik bewirkt eine Unschärfe in den Positionen der H- und D-Atome in einem Wassermolekül, und weil D doppelt so schwer ist wie H, ist der Unschärfeeffekt für D geringer als für H. Dies führt zu den beobachteten Strukturunterschieden, die man mit einem besser angepassten flexiblen Modell für das Wassermolekül vorhersagen kann.
Salmon und sein Team bestimmten so die Art des theoretischen Modells, das zum Verständnis der wahren Struktur von Wasser notwendig ist. So bestätigten sie auch, dass dieses Modell die Strukturunterschiede zwischen H2O und D2O quantenmechanisch erklären kann.
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