Wasser in Nanoräumen: Druck, nicht Enge, treibt Reaktionen

Wasser ist die am besten erforschte Flüssigkeit der Welt – und doch hat sie Wissenschaftler jahrzehntelang vor ein Rätsel gestellt. Die Frage: Was passiert mit Wasser, wenn es in Räume gezwängt wird, die nur wenige Moleküle breit sind? Solche Nanoräume gibt es überall: in feinen Poren von Gestein, in Membranen zur Wasseraufbereitung oder in den winzigen Kanälen lebender Zellen. Bisher lieferten Experimente widersprüchliche Ergebnisse – mal schien das eingeschlossene Wasser chemisch reaktiver, mal nicht.

Ein Team der Universität Cambridge hat das Rätsel nun gelöst. Die Forscher nutzten maschinelles Lernen, um das Verhalten von Wassermolekülen zwischen hauchdünnen Schichten aus Graphen und Bornitrid zu simulieren – beides Materialien, die nur ein Atom dick sind. Dabei zeigte sich: Der entscheidende Faktor ist nicht die Enge an sich, sondern der gewaltige Druck, der in diesen Nanoräumen herrscht. Die atomdünnen Schichten werden durch schwache Anziehungskräfte zusammengezogen – ähnlich wie zwei Glasplatten, die aneinanderhaften. Dieser Druck kann Werte erreichen, die sonst tief im Erdinneren herrschen.

„Wenn man Systeme unter vergleichbaren Bedingungen untersucht – insbesondere beim gleichen chemischen Potenzial –, verschwindet der Effekt der Enge weitgehend“, erklärt Xavier R. Advincula, Hauptautor der Studie. „Die Widersprüche der letzten zehn Jahre kamen vor allem daher, dass Forscher Systeme bei unterschiedlichem Druck oder unterschiedlicher Dichte verglichen, ohne es zu merken.“

Allerdings spielt auch das umgebende Material eine Rolle. Bei Bornitrid – einem Material, das dem Graphen ähnelt, aber chemisch anders reagiert – banden sich die bei der Spaltung entstehenden Hydroxid-Ionen an die Oberfläche. Das stabilisierte die Ionen und machte die Wasserspaltung leichter. Bei Graphen, das chemisch träge ist, blieb dieser Effekt aus. „Statt nur auf die Porengröße zu achten, können wir nun die Reaktivität von Wasser gezielt steuern – durch die Wahl des Materials und die Kontrolle des Drucks“, sagt Dr. Christoph Schran vom Cavendish Laboratory.

Die Erkenntnisse sind nicht nur akademisch interessant. Viele Zukunftstechnologien hängen von Wasser in Nanoräumen ab: Brennstoffzellen, Batterien, Ionen-selektive Membranen und Katalysatoren. Wenn Forscher nun besser verstehen, wie Wasser unter diesen Bedingungen reagiert, können sie diese Systeme gezielter entwickeln. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht und liefert ein neues Rahmenwerk, um die Chemie des Wassers im Nanomaßstab zu verstehen.