"Elektrisches Prisma" trennt Wasser
Forscher sortieren Wassermoleküle nach ihrem Kernspin
Mit Hilfe eines "elektrischen Prismas" haben Forscher einen Weg gefunden, um Wassermoleküle nach dem Kernspin zu sortieren. Da Wasser von fundamentaler Bedeutung im Universum ist, kann die Arbeit einer Vielzahl von Forschungsgebieten nützen, von der Biologie bis zur Astrophysik. Das Forscherteam vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science CFEL stellt seine Ergebnisse im Fachblatt "Angewandte Chemie" vor. Das CFEL ist eine Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.
Um Para- und Ortho-Wasser zu trennen, schickten die Forscher einen ultrakalten, überschallschnellen und sehr dünnen Wasserstrahl durch ein elektrisches Feld (blauer Aufbau links), das wie ein elektrisches Prisma auf die Moleküle wirkte und sie nach ihren Kernspinzustände trennte (rechts).
Daniel Horke, CFEL/DESY
Auf den ersten Blick ist Wasser (H2O) ein einfaches Molekül, in dem ein einzelnes Sauerstoffatom (O) an zwei Wasserstoffatome (H) gebunden ist. Etwas komplexer wird die Situation unter Beachtung des Kernspins des Wasserstoffs. Der Spin ist eine grundlegende Eigenschaft, die oft mit einer Art Eigenrotation des Atomkerns verglichen wird. Der Spin eines einzelnen Wasserstoffatomkerns kann dabei nur zwei Zustände annehmen, die in der Physik als “up” und “down” bezeichnet werden (vergleichbar mit einer Rotation gegen und im Uhrzeigersinn).
Entsprechend können die beiden Wasserstoffatomkerne in einem Wassermolekül entweder denselben oder den entgegengesetzten Spin besitzen. Haben die Spins der Wasserstoffkerne dieselbe Orientierung, spricht man von Ortho-Wasser, sind sie entgegengesetzt, heißt es Para-Wasser. Ohne äußere Einflüsse verbieten grundlegende Symmetrieregeln die Umwandlung von Para- in Ortho-Wasser und umgekehrt. "Hätte man eine magische Flasche mit isolierten Para- und Ortho-Molekülen, würden diese für immer in ihrem Spin-Zustand bleiben", erläutert Prof. Jochen Küpper, der die Studie geleitet hat. "Sie sind im Prinzip unterschiedliche Molekülarten, unterschiedliche Sorten Wasser."
In der realen Welt sind Wassermoleküle allerdings nicht isoliert, sondern stoßen ständig mit anderen Molekülen und Oberflächen in ihrer Umgebung zusammen, was ihre Kernspins verändern kann. "Durch diese Wechselwirkungen können sich Para- und Ortho-Wasser tatsächlich leicht ineinander umwandeln", sagt DESY-Forscher Küpper, der auch Professor an der Universität Hamburg und Mitglied im Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI) ist. "Daher ist es eine große Herausforderung, sie zu trennen und Wasser zu produzieren, das nicht eine Mischung beider Sorten ist."
Den CFEL-Forschern gelang jetzt genau diese Sortierung in Para- und Ortho-Wasser im Labor. Die Wissenschaftler befüllen dazu eine Edelgas-Hochdruckkammer mit einem Tropfen Wasser. Das Edelgas-Wasser-Gemisch schießt dann durch ein gepulstes Ventil in eine Vakuumkammer. "Durch den großen Druckunterschied dehnt sich das Gas im Vakuum sehr schnell aus, wenn sich das Ventil öffnet", erläutert DESY-Forscher Dr. Daniel Horke, Hauptautor der Studie. "Es reißt Wassermoleküle mit sich und kühlt sie dabei stark ab."
Es entsteht ein gebündelter Strahl ultrakalter Wassermoleküle, die mit Überschallgeschwindigkeit durch die Kammer fliegen und dabei so verdünnt sind, dass einzelne Moleküle nicht mehr miteinander kollidieren. Auf diese Weise wird die Umwandlung der Para- und Ortho-Spinzustände ineinander vermieden.
Den gebündelten Molekülstrahl schicken die Forscher dann durch ein starkes elektrisches Feld, das die Wassermoleküle von ihrer ursprünglichen Flugbahn ablenkt und wie eine Art Prisma für Kernspinzustände funktioniert. "Para- und Ortho-Wasser werden von dem elektrischen Feld unterschiedlich abgelenkt", erläutert Horke. "Das ermöglicht uns, sie räumlich zu trennen und reine Para- und Ortho-Proben zu erzeugen." Die spektroskopische Untersuchung zeigte eine Reinheit der Proben von rund 74 Prozent für Para-Wasser und mehr als 97 Prozent für Ortho-Wasser. Vor allem für Para-Wasser lassen sich diese Werte noch deutlich verbessern, wie Horke betont. Die Speicherung des getrennten Wassers war nicht Ziel der Studie.
Die Methode könnte für Untersuchungen einer ganzen Reihe von Phänomenen nützlich sein. So hängt das Verhältnis von Ortho- zu Para-Wasserstoff von der Temperatur ab: Bei Raumtemperatur beträgt es drei zu eins und fällt mit der Temperatur. Astrophysiker gehen davon aus, dass diese Abhängigkeit auch in interstellarem Eis gilt. "Tatsächlich weicht das Verhältnis in bestimmten Regionen des Universums jedoch deutlich von der Erwartung ab", erläutert Horke. "Die genauen Gründe dafür sind unbekannt, und Laborexperimente könnten dazu neue Einblicke liefern."
In der Biologie könnte die Studie dabei helfen, die Strukturbestimmung von Proteinen zu verbessern. So rekonstruieren Forscher unter anderem mit Hilfe der Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) die Proteinstruktur anhand der Orientierung der Kernspins von Wasserstoff und anderen Atomen. "Mit Para-Wasserstoff wurde gezeigt, dass sich die Empfindlichkeit der NMR-Methode erhöhen lässt", erläutert Horke. "Die Anreicherung von Para-Wasser in der Wasserhülle eines Proteins könnte daher ein lohnender Ansatz sein, um die NMR-Spektroskopie dieser biologischen Systeme durch eine nahezu natürliche Umgebung zu verbessern."
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