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Seit mehr als hundert Jahren stellen sich Chemikerinnen und Chemiker diese Frage: Wie können winzige Öltröpfchen in Wasser ohne stabilisierende Moleküle existieren? «Wassermoleküle haben schliesslich so starke und bevorzugte Wechselwirkungen untereinander, dass sie nicht gerne Moleküle aufnehmen, die nicht an diesen Wechselwirkungen beteiligt sind», sagt Prof. Sylvie Roke, die Leiterin der Studie. In der Tat trennen sich Öl und Wasser voneinander, wenn sie einfach gemischt werden. Bei ausreichender Energiezufuhr in Form von Ultraschall bilden sich jedoch in reinem Wasser Öltröpfchen mit einer Grösse von weniger als 1 Mikrometer (1 Millionstel Meter), die mehrere Wochen oder Monate lang bestehen bleiben. Interessanterweise bewegen sich die Tröpfchen, wenn sie in ein elektrisches Feld gebracht werden, in Richtung der positiven Elektrode. Wenn man also neutrales Öl und neutrales Wasser mischt, entstehen negativ geladene Öltröpfchen. Es überrascht nicht, dass die Quelle dieser unerwarteten Ladung heftig diskutiert wurde.
Das Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Labors für fundamentale BioPhotonik (LBP) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der EPFL unter der Leitung von Prof. Roke und in Zusammenarbeit mit Dr. Peter H. H. H. H. Roke, in Zusammenarbeit mit Dr. Ali Hassanali vom International Center of Theoretical Physics (ICTP) in Triest, hat die Quelle der negativen Ladung gefunden, indem es sowohl die Ladung als auch die molekulare Struktur der Tröpfchen an der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser untersucht hat. Ihre Ergebnisse wurden in Science veröffentlicht.
Unzulässige Wasserstoffbrückenbindungen
Es hat sich herausgestellt, dass die Antwort auf dieses seit langem bestehende Rätsel an der Grenzfläche zwischen Öltröpfchen und Wasser liegt. Wassermoleküle bevorzugen es, elektrische Ladungen von ihren Nachbarn über eine als Wasserstoffbrückenbindung bekannte Wechselwirkung abzugeben und aufzunehmen. Wenn sie sich jedoch in der Nähe der Ölmoleküle an der Tröpfchenoberfläche befinden, können sie nicht mehr genügend Wassernachbarn finden, mit denen sie eine Wasserstoffbrückenbindung eingehen können. Stattdessen geben diese Wassermoleküle ihre unausgewogenen elektrischen Ladungen an die Ölmoleküle an der Tröpfchenoberfläche ab. Diese Studie zeigt, dass die Wasser-Öl-Wechselwirkung über eine so genannte unechte Wasserstoffbrückenbindung erfolgt. Dabei handelt es sich um eine schwache Wasserstoffbrückenbindung zwischen Öl und Wasser, und obwohl sie schwach ist, stabilisieren viele dieser Bindungen das Tröpfchen.
Zoomen in die Schnittstelle
Um diesen Mechanismus zu entschlüsseln, setzte das Team von Roke eine ultraschnelle optische Technik ein: «Zwei ultrakurze Laserpulse wurden auf ein Gemisch aus Öltröpfchen und Wasser überlagert. Dabei werden neue Photonen erzeugt und an der Tröpfchengrenzfläche gestreut. Diese Photonen haben die Summenfrequenz der beiden einfallenden Laserstrahlen und geben Auskunft über die Schwingungsbindungen an der Grenzfläche, d. h. über die Bewegung der Atome in den Grenzflächenmolekülen. Dies gibt uns Aufschluss über die Struktur und die Wechselwirkungen zwischen Öl und Wasser», erklärt Roke. Auf molekularer Ebene weist die Grenzfläche zwischen Öltröpfchen und Wasser starke Ähnlichkeiten mit Grenzflächen auf, die bei der Proteinfaltung oder der Bildung biologischer Membranen eine Rolle spielen. Daher befriedigen diese Erkenntnisse über die Struktur der Öltröpfchen-Wasser-Grenzfläche nicht nur unsere Neugier auf die komplizierte Komplexität des Wassers, sondern haben auch Auswirkungen auf das Verständnis von Wechselwirkungen in der gesamten Biologie und Chemie.