Wasser: Das sonderbare Element

Mehr als 45 Institutionen aus Europa und weltweit haben sich im „Centre for Molecular Water Science“ (CMWS) zusammengeschlossen. Am 26. Februar 2025 wurde das CMWS offiziell bei DESY eröffnet. In enger Zusammenarbeit mit den Experten im CMWS wird es bei PETRA IV möglich sein, die grundlegenden Eigenschaften von Wasser mit einer noch nie dagewesenen räumlichen und zeitlichen Auflösung zu untersuchen.

Obwohl wir ständig mit ihm in Berührung kommen, hat Wasser erstaunliche Eigenschaften, die es von anderen Flüssigkeiten unterscheiden. Diese besonderen Eigenschaften sind wichtig für unser Leben – trotzdem versteht die Wissenschaft nicht alle Details.

Seltsame Dinge, die Wasser kann:

• Eis schwimmt auf Wasser: Normalerweise werden Flüssigkeiten dichter, wenn sie kälter werden. Doch Wasser ist bei 4 °C am dichtesten und wenn es weiter abkühlt, dehnt es sich aus. Deshalb schwimmt Eis auf Seen, wodurch das Wasser darunter nicht sofort gefriert und Fische im Winter überleben. 
• Unterkühltes Wasser: Manchmal bleibt Wasser flüssig, obwohl es eigentlich gefrieren müsste. Zum Beispiel in Wolken, wo es bei -30 Grad Celsius noch als Tropfen existieren kann. 
• Wasser speichert Wärme: Es kann große Mengen Wärme aufnehmen und wieder abgeben. Das hilft dabei, unser Klima zu stabilisieren – ohne Wasser hätten wir extreme Temperaturschwankungen. 

Wie Forschende das Wasserrätsel lösen wollen:

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kennen die erstaunlichen Eigenschaften von Wasser. Sie verstehen aber noch nicht genau, wie Wassermoleküle miteinander "zusammenarbeiten", um diese Phänomene zu erzeugen. Besonders die unsichtbaren Verbindungen zwischen den Molekülen, die sogenannten Wasserstoffbrücken, sind noch nicht komplett erforscht. Dabei soll PETRA IV helfen.

PETRA IV wird die Dynamik von komplexen Molekülnetzwerken wie wässrigen Lösungen bis auf die Nanosekunde genau verfolgen, 100 bis 10 000 Male schneller als heute – bei maximaler räumlicher Auflösung. So besteht Wasser einer Theorie zufolge in seiner flüssigen Form aus zwei strukturell und dynamisch verschiedenen Komponenten. PETRA IV könnte diese Flüssigkeitszustände erstmals unterscheiden.