Wasser ist gleichbedeutend mit Leben, doch die dynamische und facettenreiche Interaktion, die H2O-Moleküle zusammenbringt - die Wasserstoffbrückenbindung - ist nach wie vor rätselhaft. Wasserstoffbrückenbindungen entstehen bei der Wechselwirkung von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen zwischen Wassermolekülen, die sich bei diesem Prozess die elektronische Ladung teilen. Diese Ladungsteilung ist ein wesentliches Merkmal des dreidimensionalen Netzwerks von "H-Bindungen", das flüssigem Wasser seine einzigartigen Eigenschaften verleiht. Die Quantenphänomene im Herzen dieser Netzwerke wurden jedoch bislang nur durch theoretische Simulationen verstanden.
Wissenschaftler um Sylvie Roke, Leiterin des Labors für grundlegende Biophotonik an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL, haben ein wissenschaftliches Papier veröffentlicht, in dem sie eine neue Methode beschreiben - die korrelierte Schwingungsspektroskopie (Correlated Vibrational Spectroscopy, CVS). Mit dieser Methode können sie das Verhalten von Wassermolekülen messen, wenn sie an H-Bindungsnetzwerken beteiligt sind. Vor allem aber ermöglicht die CVS den Wissenschaftlern, zwischen diesen teilnehmenden (interaktiven) Molekülen und zufällig verteilten Molekülen ohne H-Bindungen (nicht interaktiv) zu unterscheiden. Zum Vergleich: Alle anderen aktuellen/existierenden Methoden berichten Messungen an beiden Molekültypen gleichzeitig und können somit nicht zwischen ihnen unterscheiden.
"Die heutigen Spektroskopiemethoden messen die Streuung von Laserlicht, die durch die Schwingungen aller Moleküle in einem System verursacht wird. Sie müssen also raten oder annehmen, dass das, was Sie sehen, von der molekularen Wechselwirkung verursacht wird, die Sie interessiert", erklärt Sylvie Roke. "Bei der CVS hat der Schwingungsmodus jeder Art von Molekül ein eigenes Schwingungsspektrum. Und da jedes Spektrum einen einzigartigen Peak aufweist, der den Wassermolekülen entspricht, die sich entlang der H-Bindungen bewegen, können wir ihre Eigenschaften direkt messen, wie z. B. die Menge der geteilten elektronischen Ladung und die Auswirkung auf die Stärke der H-Bindungen."
Die Methode, die nach Ansicht des Teams ein "transformatives" Potenzial zur Charakterisierung von Wechselwirkungen in jeglicher Materie hat, wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht .
Die Möglichkeit, die Stärke der H-Bindung direkt zu quantifizieren, ist eine leistungsfähige Methode, die zur Klärung von Details auf molekularer Ebene in jeder Lösung verwendet werden kann.
Sylvie Roke
Aus einem neuen Blickwinkel beobachten
Um zwischen wechselwirkenden und nicht wechselwirkenden Molekülen zu unterscheiden, beleuchteten Wissenschaftler flüssiges Wasser mit Femtosekunden-Laserpulsen (eine Billiardstelsekunde) im nahen Infrarotspektrum. Diese ultrakurzen Lichtstöße erzeugen winzige Ladungsschwingungen und atomare Verschiebungen im Wasser, die die Emission von sichtbarem Licht auslösen. Dieses emittierte Licht erscheint im winkelaufgelösten Streulicht, das Schlüsselinformationen über die räumliche Organisation von Molekülen enthält, während die Farbe der Photonen Informationen über atomare Verschiebungen innerhalb und zwischen den Molekülen enthält."Bei typischen Experimenten wird der spektrographische Detektor in einem Winkel von 90 Grad zum eintretenden Laserstrahl positioniert, aber wir haben festgestellt, dass wir wechselwirkende Moleküle einfach dadurch erforschen können, dass wir die Position des Detektors verändern und die Spektren mit bestimmten Kombinationen von polarisiertem Licht aufzeichnen. Auf diese Weise können wir separate Spektren für nicht interagierende und interagierende Moleküle erstellen", sagt Sylvie Roke.
Das Team führte weitere Experimente durch, um mithilfe der SVC zwischen quantenelektronischen und nuklearen Effekten von H-Bindungsnetzwerken zu unterscheiden, z. B. indem der pH-Wert von Wasser durch die Zugabe von Hydroxidionen (wodurch es basischer wird) oder Protonen (wodurch es saurer wird) verändert wird.
"Sowohl Hydroxidionen als auch Protonen beteiligen sich an H-Bindungen, so dass eine Änderung des pH-Werts des Wassers seine Reaktivität verändert", sagt Mischa Flór, Doktorand und Hauptautor des Artikels. "Dank der SVC können wir nun die zusätzliche Ladung, die die Hydroxidionen den Netzwerken der H-Bindungen verleihen (8%), und die Ladung, die die Protonen von ihnen annehmen (4%), genau quantifizieren - präzise Messungen, die zuvor experimentell nie möglich gewesen wären." Diese Werte wurden mithilfe von fortgeschrittenen Simulationen erklärt, die von Mitarbeitern mit Sitz in Frankreich, Italien und Großbritannien durchgeführt wurden.
Die Wissenschaftler betonen, dass die Methode, die sie auch durch theoretische Berechnungen untermauert haben, auf jedes beliebige Material angewendet werden kann, und mehrere neue Experimente zur Charakterisierung sind bereits in Arbeit.
"Die Möglichkeit, die Stärke der H-Bindung direkt zu quantifizieren, ist eine leistungsfähige Methode, die zur Klärung von Details auf molekularer Ebene in jeder Lösung, die z. B. Elektrolyte, Zucker, Aminosäuren, DNA oder Proteine enthält, eingesetzt werden kann", sagt Sylvie Roke. "Da CVS nicht auf Wasser beschränkt ist, kann sie auch eine Fülle von Informationen über andere Flüssigkeiten, Systeme und Prozesse liefern."
