Potentialflächen von Wasser erstmals kartiert
Flüssigkeiten sind schwerer zu beschreiben als Gase oder kristalline Feststoffe. Aber nun ist es einem HZB-Team gelungen, die Energieflächen von Wassermolekülen zu kartieren. Dies hilft zum Beispiel, die Chemie in Wasser besser zu verstehen. © stock.adobe.com
Flüssigkeiten sind schwerer zu beschreiben als Gase oder kristalline Feststoffe. Ein HZB-Team hat nun an der Swiss Light Source SLS des Paul Scherrer Instituts, Schweiz, erstmals die Potentialflächen von Wassermolekülen in flüssigem Wasser unter normalen Umgebungsbedingungen kartiert. Das trägt dazu bei, die Chemie des Wassers und in wässrigen Lösungen besser zu verstehen. Diese Untersuchungen können demnächst an der neu errichteten METRIXS-Station an der Röntgenquelle BESSY II fortgesetzt werden.
Wasser ist die bekannteste Flüssigkeit der Welt. In allen biologischen und vielen chemischen Prozessen spielt Wasser eine entscheidende Rolle. Die Wassermoleküle selbst bergen kaum noch ein Geheimnis. Schon in der Schule lernen wir, dass Wasser aus einem Sauerstoff-Atom und zwei Wasserstoff-Atomen besteht. Wir kennen sogar den typischen stumpfen Winkel, den die beiden O-H-Schenkel miteinander bilden. Außerdem wissen wir natürlich, wann Wasser kocht oder gefriert und wie diese Phasenübergänge mit dem Druck zusammenhängen. Aber zwischen der Kenntnis des einzelnen Moleküls und dem Wissen über die makroskopischen Phänomene klafft ein weiter Bereich des Ungefähren: Ausgerechtet über das Verhalten der einzelnen Moleküle in ganz normalem flüssigem Wasser ist nur Statistisches bekannt, die Wassermoleküle bilden ein fluktuierendes Netz aus Wasserstoffbrücken, ungeordnet und dicht und ihre Wechselwirkungen sind überhaupt nicht so gut verstanden wie im gasförmigen Zustand.
Reines Wasser mit RIXS untersucht
Nun hat ein Team um die HZB-Physikerin Dr. Annette Pietzsch hochreines, flüssiges Wasser bei Zimmertemperatur und normalem Druck unter die Lupe genommen. Mit Röntgenuntersuchungen an der Swiss Light Source des Paul Scherrer Instituts und statistischen Modellierungen ist es den Forscher:innen erstmals gelungen, die so genannten Potentialflächen der einzelnen Wassermoleküle im Grundzustand zu kartieren, die je nach Umgebung vielfältige Gestalt annehmen.
Potentialflächen vermessen
„Das Besondere ist hier die Methode: Wir haben die Wassermoleküle an der ADRESS-Beamline mit resonanter inelastischer Röntgenstreuung untersucht. Einfach ausgedrückt haben wir einzelne Moleküle nur ganz vorsichtig angeschubst und dann gemessen, wie sie in den Grundzustand zurückfallen“, sagt Pietzsch. Die niederenergetischen Anregungen führten zu Streckschwingungen und anderen Vibrationen, durch die sich – kombiniert mit Modellrechnungen – ein detailliertes Bild der Potentialoberflächen ergab.
„Damit haben wir eine Methode, um experimentell die Energie eines Moleküls in Abhängigkeit von seiner Struktur zu ermitteln“, erläutert Pietzsch. „Das hilft, die Chemie im Wasser zu verstehen, also auch mehr zu durchblicken, wie sich Wasser als Lösungsmittel verhält.“
Ausblick auf METRIXS an BESSY II
Die nächsten Experimente sind schon in Vorbereitung, und zwar an der Röntgenquelle BESSY II am HZB. Dort hat Annette Pietzsch mit ihrem Team die Messstation METRIXS aufgebaut, die genau dafür konzipiert ist, flüssige Proben mit RIXS-Experimenten zu untersuchen. „Nach den Wartungsarbeiten im Sommer starten wir mit ersten Tests der Messinstrumente. Und dann kann es weitergehen.“
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.