Wasser ist chemisch simpel und physikalisch rätselhaft: Ein Netzwerk aus Molekülen, die pausenlos Wasserstoffbrücken in alle Richtungen knüpfen und wieder lösen, verleiht ihm seine ungewöhnlichen Eigenschaften. Was aber geschieht, wenn man dieses Netzwerk auf eine einzige Molekülschicht zusammenpresst? Ein Team der Universität Manchester hat genau das nun erstmals experimentell beobachtet – und findet ein Wasser, das sich grundlegend anders verhält als die Flüssigkeit im Glas.
Die Forschenden um Professorin Radha Boya schlossen Wasser in ultradünne Kanäle ein, nur wenige Ångström hoch – gerade genug Platz für eine einzige Lage Moleküle. Mit hochauflösender Infrarotspektroskopie, unterstützt von der Synchrotronquelle Diamond Light Source und Kolleginnen der Freien Universität Berlin, maßen sie die charakteristischen Schwingungen der O-H-Bindungen. Das Ergebnis, veröffentlicht im Fachjournal Nature Communications, zeigt eine deutliche Blauverschiebung dieser Schwingungen – ein klares Zeichen dafür, dass das geordnete Brückennetzwerk des gewöhnlichen Wassers hier zusammenbricht.
Statt einer flachen Version der bekannten Flüssigkeit bildet die Monoschicht ein zerklüftetes, mosaikartiges Gefüge: kleine Cluster aus wenigen wasserstoffgebundenen Molekülen, umgeben von schlecht gebundenen oder nahezu freien Teilchen. Damit bestätigen die Messungen eine lange gehegte theoretische Vermutung, wonach Wasser in nur einer Molekülschicht seine geordnete Struktur verliert und in einen gestörten, „frustrierten" Zustand übergeht.
Warum das zählt
Der Befund ist mehr als eine Kuriosität der Grundlagenphysik. Wasser in extremer Enge ist überall dort entscheidend, wo es an Grenzflächen und in winzigen Poren arbeitet – in biologischen Zellmembranen, in Filtern zur Entsalzung oder Wasseraufbereitung und in der Nanotechnologie. Wer verstehen will, wie Moleküle und Ionen solche engen Kanäle durchqueren, muss wissen, wie sich das Wasser darin ordnet. Genau diese Ordnung – oder deren Fehlen – haben die Manchester-Forschenden nun sichtbar gemacht. Das Wissen könnte helfen, effizientere Membranen für sauberes Trinkwasser zu entwerfen oder Prozesse in lebenden Zellen besser zu begreifen. Ein alter, allgegenwärtiger Stoff gibt damit ein weiteres seiner Geheimnisse preis.