Wassermoleküle nach ihrem Kernspin sortiert

In einem Wassermolekül ist ein einzelnes Sauerstoffatom an zwei Wasserstoffatome gebunden. Die beiden Wasserstoffatomkerne verfügen über eine Eigenschaft namens Kernspin, die den Gesamtdrehimpuls ihres Atomkerns beschreibt. Zeigen die Spins der Wasserstoffkerne in dieselbe Richtung, spricht man von Orthowasser, sind sie entgegengesetzt ausgerichtet, handelt es sich um Parawasser. Mithilfe eines starken elektrischen Feldes haben Forscher vom Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg nun einen Weg gefunden, diese beiden Sorten von Wassermolekülen zu sortieren. Ihre Ergebnisse stellen sie im Fachblatt „Angewandte Chemie“ vor.

Wassermoleküle in zwei Strahlen, Pfeile durch die Wasseratome zeigen die Spinrichtung an.
Trennen von Para- und Orthowasser

Das Team befüllte in ihren Experimenten eine Edelgashochdruckkammer mit einem Tropfen Wasser und ließ das Edelgas-Wasser-Gemisch dann durch ein gepulstes Ventil in eine Vakuumkammer schießen. „Durch den großen Druckunterschied dehnt sich das Gas im Vakuum sehr schnell aus, wenn sich das Ventil öffnet“, erläutert Erstautor Daniel Horke. „Es reißt Wassermoleküle mit sich und kühlt sie dabei stark ab.“ Dadurch entstand ein gebündelter Strahl ultrakalter Wassermoleküle, die mit Überschallgeschwindigkeit durch die Kammer flogen und dabei so verdünnt waren, dass einzelne Moleküle nicht mehr miteinander kollidierten. Da die Kernspins sonst durch gegenseitige Wechselwirkungen leicht umklappen können, wird auf diese Weise die Umwandlung von Para- in Orthospinzustände vermieden.

Den gebündelten Molekülstrahl schickten die Forscher dann durch ein starkes elektrisches Feld, das die Wassermoleküle von ihrer ursprünglichen Flugbahn ablenkte und wie eine Art Prisma für Kernspinzustände funktionierte. „Para- und Orthowasser werden von dem elektrischen Feld unterschiedlich abgelenkt“, erklärt Horke. „Das ermöglicht uns, sie räumlich zu trennen und reine Para- und Orthoproben zu erzeugen.“ Die spektroskopische Analyse zeigte eine Reinheit der Proben von rund 74 Prozent für Parawasser und mehr als 97 Prozent für Orthowasser. Vor allem für Parawasser ließen sich diese Werte aber noch deutlich verbessern, fügt Horke hinzu. Da die beiden Molekülspezies bisher nicht in Reinform vorliegen, seien deren physikalischen und chemischen Eigenschaften, Umwandlungsmechanismen und Wechselwirkungen kaum bekannt.

Die nun eingesetzte Methode könnte einer Vielzahl von Forschungsgebieten nützen, von der Biologie bis zur Astrophysik. So hängt das Verhältnis von Ortho- zu Parawasserstoff von der Temperatur ab: Bei Raumtemperatur beträgt es drei zu eins und fällt mit der Temperatur. Astrophysiker gehen davon aus, dass diese Abhängigkeit auch in interstellarem Eis gilt. „Tatsächlich weicht das Verhältnis in bestimmten Regionen des Universums jedoch deutlich von der Erwartung ab“, berichtet Horke. „Die genauen Gründe dafür sind unbekannt, und Laborexperimente könnten dazu neue Einblicke liefern.“