Wasser hat ein kurzes Gedächtnis

Ultraschnelle Fluktuationen in der Struktur von flüssigem Wasser

14.10.2005

Einem Team von Wissenschaftlern um Prof. Dr. Thomas Elsässer vom MBI und Prof. R.J. Dwayne Miller von der University of Toronto gelang es erstmals, ultraschnelle Fluktuationen in der Struktur von flüssigem Wasser nachzuweisen. Die Wissenschaftler nutzten dazu neue Methoden der Femtosekunden-Schwingungsspektroskopie. Wie sie im Fachjournal Nature (Bd. 434, Seite 199) berichteten, geht das strukturelle Gedächtnis in dem fluktuierenden Netzwerk gekoppelter Wassermoleküle innerhalb von 50 Femtosekunden verloren - schneller als in jeder anderen Flüssigkeit. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde ("zehn hoch minus fünfzehn"). In den in Berlin durchgeführten Experimenten regt ein Lichtimpuls in einem extrem dünnen Wasserfilm lokal eine molekulare Schwingung an: die Streckschwingung eines Wassermoleküls. Der Wasserfilm ist 0,5 Mikrometer dünn. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist hundertmal dicker. Der infrarote Lichtimpuls (Wellenlänge: 3 Mikrometer) dauert 70 Femtosekunden. Das von dem Lichtimpuls zum Schwingen angeregte Molekül dient als Sonde für die Fluktuationen des molekularen Netzwerks. Diese Fluktuationen führen zu einer Veränderung der Schwingungsfrequenz und Schwingungsphase. Mit dem Verfahren der "zweidimensionalen Schwingungsspektroskopie" machen die Wissenschaftler am MBI diese Änderungen in Echtzeit sichtbar und bestimmen daraus Zeitskala und Mechanismus der Fluktuationen.

Dabei zeigt sich, dass die zum Zeitpunkt der Schwingungsanregung vorliegende Struktur des Netzwerks innerhalb von zirka fünfzig Femtosekunden verloren geht, einem Zeitintervall, das viel kürzer ist als die Lebensdauer einer Wasserstoffbrücke von ungefähr tausend Femtosekunden. Ursache des schnellen Strukturverlusts sind gehinderte Kipp- und Rotationsbewegungen der gekoppelten Moleküle, die Wissenschaftler sprechen von "Librationen" der Wasserstoffbrücken. Diese verändern die relative Orientierung der Wassermoleküle zueinander und tragen so zum Verlust des strukturellen Gedächtnisses in der Flüssigkeit bei.

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