08.06.2021 - University of Southern California

Was wir über Wasser wissen, könnte sich gerade dramatisch verändern

Neue Forschungsergebnisse weisen auf einen potenziell starken Einfluss von der Wasseraufbereitung auf die Arzneimittelherstellung hin

Wasser ist seltsam - und doch so wichtig. In der Tat ist es eines der ungewöhnlichsten Moleküle auf der Erde. Es kocht bei einer Temperatur, die es nicht haben sollte. Es dehnt sich aus und schwimmt, wenn es sich im festen Zustand befindet. Seine Oberflächenspannung ist höher als sie sein sollte. Jetzt haben neue Forschungsergebnisse, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, der Liste der Seltsamkeiten von Wasser eine weitere, ebenso seltsame Eigenschaft hinzugefügt. Die Auswirkungen dieser neuen Enthüllung könnten einen bemerkenswerten Einfluss auf alle wasserbezogenen Prozesse haben, von der Wasserreinigung bis zur Medikamentenherstellung.

Stephen Cronin, Professor für Elektro- und Computertechnik an der USC Viterbi School of Engineering, und Alexander Benderskii, außerordentlicher Professor für Chemie am USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences, haben gezeigt, dass beim Kontakt von Wasser mit einer Elektrodenoberfläche nicht alle seine Moleküle auf die gleiche Weise reagieren. Dies kann sich dramatisch darauf auswirken, wie gut sich verschiedene Substanzen in Wasser, das einem elektrischen Feld ausgesetzt ist, auflösen können, was wiederum bestimmen kann, wie eine chemische Reaktion abläuft. Und chemische Reaktionen sind eine notwendige Komponente bei der Herstellung von ... allem.

Es ist angemessen, dass diese bahnbrechende Arbeit aus der interdisziplinären Forschung zwischen einem Chemiker und einem Elektroingenieur stammt. Schließlich ist die Chemie im Wesentlichen eine Studie über Elektronen, und chemische Reaktionen sind die Grundlage für die Materialien, auf denen unsere moderne Welt aufgebaut ist. Jeder Forscher lieferte eine wichtige Komponente zu dieser Arbeit. In diesem Fall eine bahnbrechende Elektrode vom Ingenieur Cronin und eine fortschrittliche Laserspektroskopietechnik vom Chemiker Benderskii. Letztendlich war es die Kombination dieser beiden Konstruktionen, die zu dem beobachteten Durchbruch führte.

Zunächst entwarf Cronin eine einzigartige Elektrode aus einlagigem Graphen (nur 0,355nm dick). Die Herstellung von Graphenelektroden ist an sich schon ein sehr komplexer Prozess. In der Tat ist die Elektrode, die für diese spezielle Forschung benötigt wird, eine, die Forschungsgruppen auf der ganzen Welt in der Vergangenheit versucht haben und daran gescheitert sind. "Alex und ich haben eine Weile darum gekämpft, dies zu erreichen, und wir mussten unser Design viele Male ändern. Es ist lohnend und aufregend, endlich die Ergebnisse unserer Arbeit zu sehen", sagte Cronin.

Sobald die Elektrode auf eine Zelle mit Wasser aufgesetzt ist und ein Strom fließt, kommt Benderskiis Technik ins Spiel. Er verwendet eine spezielle Laserspektroskopie-Methode, die nur eine Handvoll anderer Forschergruppen reproduzieren konnte. "Mit unserem Ansatz konnten wir zum ersten Mal Wassermoleküle unter den Bedingungen unserer Experimente beobachten, und wir konnten sehen, wie die Moleküle mit dem Feld auf eine Art und Weise interagieren, die bisher niemand verstanden hatte", sagt Benderskii.

Was die beiden herausfanden, war, dass sich die oberste Schicht der Wassermoleküle, die der Elektrode am nächsten ist, völlig anders ausrichtet als der Rest der Wassermoleküle. Diese Erkenntnis war unerwartet. Aber sie kann den Weg öffnen, um genauere Simulationen darüber durchzuführen, wie wässrige chemische Reaktionen in verschiedenen Bereichen die Materialien beeinflussen, mit denen sie arbeiten. Ein besonderer Bereich, in dem diese Forschung eine unmittelbare Auswirkung haben könnte, ist die Bereitstellung von sauberem Wasser. "Wasser in Kontakt mit Graphen wird in der Tat als eine neue Technologie in der Entsalzung vorgeschlagen", sagte Cronin. "Unsere Forschung könnte den Wissenschaftlern helfen, bessere Simulationen zu entwerfen, die letztendlich den Menschen entsalztes sauberes Wasser schneller, billiger und sauberer bringen."

Benderskii und Cronin haben nicht vor, ihre langjährige Forschungszusammenarbeit in nächster Zeit zu beenden. Jetzt, wo sie diese neue Wasserqualität identifiziert haben, wollen sie tiefer graben. "In unserer veröffentlichten Forschung geht es darum, wie Wasser kollektiv auf eine Strömung reagiert. Als nächstes versuchen wir zu verstehen, wie diese Reaktion auf individueller molekularer Ebene funktioniert", sagt Benderskii.

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