08.09.2020 - Forschungsverbund Berlin e.V.

Wie sich Elektronen in Wasser erzeugen und steuern lassen

Überraschende Ergebnisse enthüllen einen neuen Aspekt extrem starker elektrischer Felder in Wasser

Wassermoleküle führen bei Raumtemperatur ultraschnelle Zitterbewegungen aus und erzeugen extrem starke elektrische Felder in ihrer Umgebung. Neue Experimente zeigen wie sich unter Ausnutzung dieser Felder mit einem externen Feld bei Terahertz-Frequenzen freie Elektronen in der Flüssigkeit erzeugen und manipulieren lassen.

Das Wassermolekül H2O besitzt auf Grund der unterschiedlichen Elektronendichte des Sauerstoff-(O)- und der Wasserstoff-(H)-Atome ein elektrisches Dipolmoment (Abb. 1a). In flüssigem Wasser rufen diese molekularen Dipole ein elektrisches Feld hervor, dessen Stärke auf einer Femtosekunden-Zeitskala (1 Femtosekunde = 10-15 Sekunden = ein Milliardstel einer Millionstel Sekunde) fluktuiert und für kurze Zeit Spitzenwerte von bis zu 300 MV/cm (300 Millionen Volt pro cm) erreicht (Abb. 1b). Bei solch hohen elektrischen Feldern kann ein Elektron seinen gebundenen Zustand im Wassermolekül, ein Molekülorbital (Abb. 1b), verlassen und durch eine Energiebarriere in die umgebende Flüssigkeit tunneln, was einen quantenmechanischen Ionisationsprozess darstellt. Im Gleichgewicht kehrt das Elektron extrem schnell in seinem Ausgangszustand zurück, da das fluktuierende Feld keine Vorzugsrichtung aufweist und sich das Elektron deshalb nicht vom Ort der Ionisation entfernt. Wegen der effizienten Ladungsrekombination bleibt die Zahl ungebundener (freier) Elektronen sehr gering, sie beträgt im zeitlichen Mittel weniger als ein Milliardstel der Zahl von Wassermolekülen.

Forscher des Max-Born-Instituts haben jetzt gezeigt dass ein äußeres elektrisches Feld im Frequenzbereich um 1 Terahertz (1 THz = 1012 Hz, ca. 500mal höher als typische Handyfrequenzen) die Zahl freier Elektronen bis zum Tausendfachen erhöhen kann. Das THz-Feld besitzt eine maximale Stärke von 2 MV/cm, also weniger als 1% der Stärke des fluktuierenden Feldes; es hat jedoch eine räumliche Vorzugsrichtung (Abb. 2). Entlang dieser Vorzugsrichtung werden die durch das fluktuierende Feld erzeugten Elektronen beschleunigt und erreichen eine kinetische Energie von ca. 11 eV, die Ionisationsenergie des Wassermoleküls. Hierdurch wird die Ladungsrekombination am Ionisationsort unterdrückt. Die Elektronen bewegen sich über Distanzen von vielen Nanometern (1 Nanometer = 10-9 m) bevor sie an einem anderen Ort in der Flüssigkeit lokalisiert werden. Dieser Prozess ruft starke Änderungen der Absorption und des Brechungsindex der Flüssigkeit hervor (Abb. 2c), über die in den Experimenten die Elektronendynamik mit der Methode der sog. zweidimensionalen THz-Spektroskopie (Abb. 2a) zeitaufgelöst verfolgt wurde.

Diese überraschenden Ergebnisse enthüllen einen neuen Aspekt extrem starker elektrischer Felder in Wasser, das Auftreten spontaner Tunnelionisationsprozesse. Diese könnten eine wichtige Rolle bei der Eigendissoziation von H2O-Molekülen in OH-- und H3O+-Ionen spielen. Darüber hinaus zeigen die Untersuchungen wie durch Anwendung maßgeschneiderter starker THz-Felder Erzeugung, Transport und Lokalisierung von Ladungen, d.h. grundlegende elektrische Eigenschaften von Flüssigkeiten manipuliert werden können.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Wasser
  • Elektronen
  • Wassermoleküle
  • elektrisches Dipolmoment
Mehr über Forschungsverbund Berlin
  • News

    Atombillard mit Röntgenstrahlen

    1921 erhielt Albert Einstein den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung, dass Licht quantisiert ist und als ein Strom von Lichtteilchen – Photonen – mit Materie wechselwirkt. Seit diesen frühen Tagen der Quantenmechanik ist auch bekannt, dass diese Photonen einen Impuls besitzen. Diesen ... mehr

    Selbstabbildung eines Moleküls durch seine eigenen Elektronen

    Eines der langfristigen Ziele der Forschung zu lichtinduzierter Dynamik von Molekülen ist die direkte und eindeutige Beobachtung von zeitabhängigen Änderungen der molekularen Struktur, die aus der Absorption von Licht resultiert. Zu diesem Zweck haben Forscher eine Vielfalt von Methoden ent ... mehr

    Hammer-on – wie man Atome schneller schwingen lässt

    Schwingungen von Atomen in einem Kristall des Halbleiters Galliumarsenid (GaAs) lassen sich durch einen optisch erzeugten Strom impulsiv zu höherer Frequenz verschieben. Die mit dem Strom verknüpfte Ladungsverschiebung zwischen Gallium- und Arsen-Atomen wirkt über elektrische Wechselwirkung ... mehr

  • Verbände

    Forschungsverbund Berlin e.V.

    Der Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB) ist Träger von insgesamt acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Forschungsinstituten in Berlin, die unter Wahrung ihrer wissenschaftlichen Eigenständigkeit im Rahmen einer einheitlichen Rechtspersönlichkeit gemeinsame Interessen wahrnehmen. ... mehr

Mehr über MBI
  • News

    Atombillard mit Röntgenstrahlen

    1921 erhielt Albert Einstein den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung, dass Licht quantisiert ist und als ein Strom von Lichtteilchen – Photonen – mit Materie wechselwirkt. Seit diesen frühen Tagen der Quantenmechanik ist auch bekannt, dass diese Photonen einen Impuls besitzen. Diesen ... mehr

    Selbstabbildung eines Moleküls durch seine eigenen Elektronen

    Eines der langfristigen Ziele der Forschung zu lichtinduzierter Dynamik von Molekülen ist die direkte und eindeutige Beobachtung von zeitabhängigen Änderungen der molekularen Struktur, die aus der Absorption von Licht resultiert. Zu diesem Zweck haben Forscher eine Vielfalt von Methoden ent ... mehr

    Lichtwellen mit intrinsischer Chiralität halten Spiegelmoleküle zuverlässig auseinander

    Licht bietet den schnellsten Weg, um rechts- und linkshändige chirale Moleküle zu unterscheiden, was für viele Anwendungen in Chemie und Biologie unerlässlich ist. Normales Licht spricht aber nur schwach auf die molekulare Händigkeit an. Forscher des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Opti ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Born-Institut (MBI) im Forschungsverbund Berlin e.V

    Das Max-Born-Instiitut (MBI) betreibt Grundlagenforschung auf dem Gebiet der nichtlinearen Optik und Kurzzeitdynamik bei der Wechselwirkung von Materie mit Laserlicht und verfolgt daraus resultierende Anwendungsaspekte. Es entwickelt und nutzt hierzu ultrakurze und ultraintensive Laser und ... mehr