BESSY II: Einfluss von Protonen auf Wassermoleküle
An BESSY II konnten die spektralen Fingerabdrücke von Wassermoleküle untersucht werden. Das Ergebnis: die elektronische Struktur der drei innersten Wassermoleküle in einem H7O3+-Komplex wird durch das Proton drastisch verändert. Darüber hinaus verändert sich auch die erste Hydrathülle aus fünf weiteren Wassermolekülen, die das Proton über sein langreichweitiges elektrisches Feld wahrnimmt. © MBI
Wie Wasserstoff-Ionen oder Protonen mit ihrer wässrigen Umgebung wechselwirken, hat große Praxisrelevanz, ob in der Technologie von Brennstoffzellen oder in den Lebenswissenschaften. Nun hat ein großes internationales Konsortium an der Röntgenquelle BESSY II diese Frage experimentell im Detail untersucht und neue Effekte entdeckt. So verändert die Anwesenheit eines Protons die elektronische Struktur der drei innersten Wassermoleküle, wirkt sich aber außerdem auch noch darüber hinaus über ein langreichweitiges Feld auf eine Hydrathülle aus fünf weiteren Wassermolekülen aus.
Überschüssige Protonen in Wasser sind komplexe Quantenobjekte mit starken Wechselwirkungen mit dem dynamischen Wasserstoffbrückenbindungsnetz der Flüssigkeit. Diese Wechselwirkungen sind überraschend schwer zu untersuchen. Dabei spielt die so genannte Protonenhydratisierung eine zentrale Rolle beim Energietransport in Wasserstoffbrennstoffzellen und bei der Signalübertragung in Transmembranproteinen. Während die Geometrien und Stöchiometrien sowohl in Experimenten als auch in der Theorie umfassend untersucht wurden, ist die elektronische Struktur dieser hydratisierten Protonenkomplexe nach wie vor ein Rätsel.
Elektronische Struktur von Protonen in Lösung
Eine große Kooperation aus Gruppen des Max-Born-Instituts, der Universität Hamburg, der Universität Stockholm, der Ben-Gurion-Universität und der Universität Uppsala hat nun neue Erkenntnisse über die elektronische Struktur hydratisierter Protonenkomplexe in Lösung gewonnen.
Wechselwirkungen mit kurzer und längerer Reichweite
Mit Hilfe der neuartigen Flatjet-Technologie führten sie an BESSY II röntgenspektroskopische Messungen durch und kombinierten sie mit Infrarotspektralanalyse und Berechnungen. Dadurch ließen sich zwei wesentliche Effekte unterscheiden: Lokale Orbital-Wechselwirkungen bestimmen die kovalente Bindung zwischen dem Proton und benachbarten Wassermolekülen, während Orbital-Energie-Verschiebungen die Stärke des ausgedehnten elektrischen Feldes des Protons messen. Die Ergebnisse legen eine allgemeine Hierarchie für die Protonenhydratation nahe: Das Proton interagiert mit drei Wassermolekülen und bildet einen H7O3+-Komplex. Die Hydratschale dieses Komplexes wird durch das elektrische Feld der positiven Ladung des Protons beeinflusst.
Mögliche Anwendungen
Die neuen Forschungserkenntnisse haben direkte Auswirkungen auf das Verständnis der Protonenhydratation von Protonen in wässriger Lösung über Protonenkomplexe in Brennstoffzellen bis hin zur Wasserstruktur-Hydratationstaschen von Protonenkanälen in Transmembranproteinen.
Eine längere Meldung dazu können Sie auf der Seite des Max-Born-Instituts lesen>
- Größte bisher bekannte magnetische Anisotropie eines Moleküls gemessenAn der Berliner Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II ist es gelungen, die größte magnetische Anisotropie eines einzelnen Moleküls zu bestimmen, die jemals experimentell gemessen wurde. Je größer diese Anisotropie ist, desto besser eignet sich ein Molekül als molekularer Nanomagnet. Solche Nanomagnete besitzen eine Vielzahl von potenziellen Anwendungen, z. B. als energieeffiziente Datenspeicher. An der Studie waren Forschende aus dem Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (MPI KOFO), dem Joint Lab EPR4Energy des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion (MPI CEC) und dem Helmholtz-Zentrums Berlin beteiligt.
- Ernst-Eckhard-Koch-Preis und Innovationspreis SynchrotronstrahlungAuf dem diesjährigen Nutzertreffen zeichnete der Freundeskreis des HZB die herausragende Promotionsarbeit von Dr. Dieter Skroblin von der Technischen Universität Berlin mit dem Ernst-Eckhard-Koch-Preis aus. Der Europäische Innovationspreis Synchrotronstrahlung ging an Dr. Manfred Faubel vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und Dr. Bernd Winter vom Fritz-Haber-Institut in Berlin.
- Modernisierung der Röntgenquelle BESSY IIIm Fokus des Nutzertreffens 2024: Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) stellt das Upgrade-Programm BESSY II+ vor. Es ermöglicht, die Weltklasse-Forschung an BESSY II weiter auszubauen und neue Konzepte im Hinblick auf die Nachfolgequelle BESSY III zu erproben.