Ein Sensor für Wasserstoffbrückenbindungen
Schematische Darstellung eines Wassermoleküls,
welches von Acetonitrilmolekülen umgeben ist.
Wissenschafter des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben einen Sensor für die Wasserstoffbrückenbindungen in flüssigem Wasser gefunden. In Röntgenspektren fanden sie einen Peak, der empfindlich auf das Brechen von Wasserstoffbrücken reagiert. Sie publizieren die Ergebnisse in der online-Ausgabe der Zeitschrift Angewandte Chemie (DOI: 10.1002/anie.201104161).
Sie geben dem Wasser seine besonderen Eigenschaften, sie sind der Grund für viele biochemische Phänomene und ihre Existenz wird sogar im Chemie-Unterricht behandelt: die Wasserstoffbrückenbindungen. Es sind anziehende Kräfte, die sich zwischen benachbarten Wassermolekülen bilden beziehungsweise allgemeiner ausgedrückt: zwischen einem Wasserstoff-Atom und einem elektronegativen Atom wie Sauerstoff oder Stickstoff. Diese anziehenden Kräfte verändern die Geometrie und die elektronische Struktur des Moleküls. Wenn man flüssige Proben mit Röntgenmethoden untersucht, zeigen sich diese Kräfte in den Röntgenspektren, indem sie die verschiedenen Messsignale (Peaks) beeinflussen.
Kathrin Lange und ihre Kollegen vom HZB haben untersucht, welchen Einfluss die Wasserstoffbrückenbindungen auf ihre Röntgenemissionsspektren haben. Sie haben dazu in einer Messreihe zunächst reines Wasser untersucht und dieses dann zunehmend mit Acetonitril verdünnt. Die Vermischung mit Acetonitril führt zum Aufbrechen des Wasserstoffbrücken-Netzwerks zwischen den Wassermolekülen. Dieses Aufbrechen konnten die Wissenschaftler nun erstmals im Spektrum nachweisen: Sie fanden einen Peak, dessen Intensität innerhalb der Verdünnungsreihe abnahm, wobei die Intensitätsabnahme mit der geringer werdenden Anzahl von Wasserstoffbrückenbindungen korrellierte. Damit konnten sie diesen Peak als einen Sensor für Wasserstoffbrückenbindungen identifizieren.
Die Röntgenspektren haben die Wissenschaftler an der Synchrotronquelle BESSY II des HZB aufgenommen. An dem Messplatz hat die Gruppe um Prof. Emad Aziz dafür eine Mikrojet-Anlage aufgebaut. Erst damit war es möglich, flüssige Proben frei von Membranen mithilfe von Synchrotronstrahlung zu untersuchen.
Kathrin Lange betont, dass ihre Ergebnisse nicht nur für das System Wasser/Acetonitril Bedeutung haben. „Unsere Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Röntgenemissionspektren von Wasser aber auch ähnlicher Systeme mit Wasserstoffbrückenbindungen.“
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.
- BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im ZentrumEine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.
- Innovative Batterie-Elektrode aus Zinn-SchaumMetallbasierte Elektroden in Lithium-Ionen-Akkus versprechen deutlich höhere Kapazitäten als konventionelle Graphit-Elektroden. Leider degradieren sie aufgrund von mechanischen Beanspruchungen während der Lade- und Entladezyklen. Nun zeigt ein Team am HZB, dass ein hochporöser Schaum aus Zinn den mechanischen Stress während der Ladezyklen deutlich besser abfedern kann. Das macht Zinn-Schäume als potentielles Material für Lithium-Batterien interessant.