Die Struktur des Wassers: Entropie entscheidet, ob Ionen haften

Rasterkraftmikroskopie und Molekulardynamik-Simulationen liefern die Basis für präzisere Vorhersagen in Batterie- und Membranforschung

19.05.2026

Wassermoleküle bilden Strukturen

TU Wien

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Wassermoleküle wirbeln nicht einfach ungeordnet durcheinander, sie können gewisse bevorzugte Strukturen ausbilden. Diese wissenschaftliche Tatsache wird oft auf völlig unwissenschaftliche Weise dargestellt, etwa wenn die Rede von einem angeblichen „Wassergedächtnis“ ist, oder von „Wasserclustern“ als mögliche Erklärung beispielsweise für Homöopathie.

All das ist widerlegt, doch auch wenn Wasser kein magischer Informationsspeicher ist, kann seine Fähigkeit, kurzfristig Strukturen zu bilden, wichtige Konsequenzen haben. Das zeigt nun eine Studie der TU Wien, in Zusammenarbeit mit der Uni Wien und der Universität Oslo, im Rahmen des FWF-geförderten Exzellenzclusters „MECS“: Man untersuchte, wie leicht sich geladene Teilchen an einer Oberfläche festhalten lassen – eine Frage, die in vielen Bereichen wichtig ist, etwa in der Forschung an Batterien, Brennstoffzellen oder auch biologischen Membranen. Neue Ergebnisse zeigen: Das lässt sich nur dann verstehen, wenn man die Strukturen berücksichtig, die Wasser auf Nanosekunden-Skala ausbildet.

Ein Ion kommt selten allein

„Wenn sich positiv geladene Ionen in einer wässrigen Lösung an einer negativ geladenen Oberfläche anlagern, dann klingt das eigentlich physikalisch zunächst sehr einfach“, sagt Markus Valtiner vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Entgegengesetzte elektrische Ladungen ziehen einander an, also bewegt sich das Teilchen zur Oberfläche. Aber in Wirklichkeit ist die Sache dann doch etwas komplizierter.“

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Geladene Teilchen bewegen sich in Wasser nämlich nicht allein. Sie sind von Wassermolekülen umgeben, und die können sich auf unterschiedliche Weise anordnen. Wie stark diese Ordnung ausgeprägt ist, hängt vom Teilchen ab: „Lithium-Ionen etwa sind winzig klein, sie können das Wasser ringsherum sehr stark ordnen. Cäsium-Ionen hingegen sind groß, bei ihnen ist der Effekt viel kleiner“, sagt Markus Valtiner.

Geordnetes Wasser – aber nur für Nanosekunden

Allerdings darf man sich diese Ordnung nicht vorstellen wie geordnete Atome in einem Kristall. „Diese Ordnung ist statistischer Natur“, erklärt Markus Valtiner. „Die Wassermoleküle vibrieren ununterbrochen, sie bewegen sich sehr schnell, sie verteilen sich laufend neu, bilden schwache Bindungen und lösen sie wieder auf.“

Das bedeutet: Die Wassermoleküle sind keine „Informationsspeicher“, wie das manchmal fälschlicherweise dargestellt wird, sondern sie vollführen eine Art „Tanz“ rund um das Ion, und dieser Tanz gehorcht bestimmten Regeln. Der Tanz des Wassers um ein Lithium- oder ein Calcium-Ion ist – statistisch gesehen – in gewissem Sinn geordneter als der Tanz des Wassers um das Cäsium-Ion.

Wenn sich nun die Ionen zur Oberfläche bewegen, dann führen sie diesen Wasserhüllen-Tanz mit sich. Lagert sich das Ion dann an, wird das Wasser ringsherum dazu gezwungen, sich anders zu strukturieren, als es das sonst tun würde.

„Ionen, die einen stärkeren Einfluss auf die umgebenden Wassermoleküle haben, erzeugen im Wasser mehr Ordnung – thermodynamisch gesprochen heißt das: Sie erzeugen einen Zustand geringerer Entropie“, erklärt Markus Valtiner. „Und je geringer die Entropie, umso unwahrscheinlicher ist es, dass sich ein solcher Zustand von selbst ergibt. Solche Ionen lagern sich daher weniger leicht direkt an der Oberfläche an.“

Kein esoterisches „Wassergedächtnis“

Das Forschungsteam kombinierte hochauflösende Rasterkraftmikroskopie, molekulardynamische Simulationen und spektroskopische Messungen, um diese Oberflächeneffekte zu messen. Daraus entstand ein thermodynamisches Modell, mit dem man nun die Adsorption von Teilchen quantitativ beschreiben kann: Erstmals werden hier die unterschiedlichen Effekte gemeinsam betrachtet – elektrostatische Anziehung einerseits, aber auch Entropie, Ordnungswahrscheinlichkeit und Interaktion mit umgebenden Wassermolekülen.

Damit kann man nun etwa bei Batterien, Elektroden, Katalysatoren oder auch biologischen Membranen gezielter vorhersagen, welche Ionen an einer Oberfläche haften und wie sie sich dort verhalten werden. Nicht nur die elektrischen Ladungen müssen berücksichtig werden – sondern auch die statistische Ordnung des Wassers.

„Das ist kein magisches Wassergedächtnis, das hat nichts mit esoterischen Vorstellungen von Wasser-Information zu tun“, betont Markus Valtiner. „Es handelt sich einfach um ein physikalisch hochinteressantes dynamisches Verhalten zwischen verschiedenen Ionen und den umgebenden Wassermolekülen – und wir haben ein quantitatives Modell gefunden, mit dem man diese Wechselwirkung präzise beschreiben kann.“

Originalveröffentlichung

Matteo Olgiati, Florian Altmann, Moritz Zelenka, Joanna Dziadkowiec, Andreas Kretschmer, Alper T. Celebi, Laura L. E. Mears, Ellen H. G. Backus, Markus Valtiner; "Entropic-dielectric interplay governs ion adsorption in inner electric double layers"; Science Advances, Volume 12

https://www.chemie.de/news/1188715/die-struktur-des-wassers-entropie-entscheidet-ob-ionen-haften.html