Wasser in 2D: Überraschend chaotisch

Wasser ist allgegenwärtig und doch voller Überraschungen. Einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, eine einzelne Schicht Wassermoleküle – quasi zweidimensionales Wasser – zu erzeugen und zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen ein unerwartet chaotisches Verhalten: Während ein Teil der Moleküle starke Bindungen eingeht, bleiben andere völlig isoliert, obwohl sie sich in einer Linie mit den gebundenen befinden.

Um diese ultradünne Schicht herzustellen, kombinierten die Forscher die beiden 2D-Materialien Graphen und hexagonales Bornitrid. Daraus bauten sie winzige Kanäle, die nur wenige Angström (zehntel Nanometer) hoch waren – gerade genug Platz für eine einzige Lage Wassermoleküle. Mit Infrarotspektroskopie vermaßen sie die Schwingungen der eingesperrten Moleküle und erhielten so Einblick in deren Struktur und Bindungsverhalten.

Die Messungen offenbarten ein überraschendes Bild: Innerhalb der Monoschicht existierten sowohl Wassermoleküle mit Wasserstoffbrückenbindungen zu ihren Nachbarn als auch völlig ungebundene. Anders als erwartet, waren die isolierten Moleküle nicht etwa in eine andere Richtung orientiert – sie standen in Reih und Glied mit den gebundenen, und dennoch blieb rund ein Viertel der möglichen Bindungen ungenutzt. Das widerspricht dem gewohnten Verhalten von Wasser, das in flüssiger Form und als Eis stets bestrebt ist, möglichst viele Bindungen einzugehen.

Die Entdeckung ist mehr als eine physikalische Kuriosität. Sie könnte helfen, chemische Reaktionen an Grenzflächen wässriger Lösungen besser zu verstehen – etwa in der Medizin, der Biologie oder der Elektrochemie. Denn viele Prozesse, von der Zellkommunikation bis zur Energieumwandlung in Batterien, finden an solchen Grenzflächen statt. Das Wissen um das ungewöhnliche Verhalten von Wasser in extrem dünnen Schichten könnte daher langfristig zu neuen Anwendungen führen.