Lausanner Forscher lösen Rätsel um elektronische Wasser-Struktur

Die Forschenden der EPFL haben die elektronische Struktur von Wasser entschlüsselt.

Garten wasser — Der «Tag der Erde» ruft sich für weniger Verschwendung von Wasser aus. (Symbolbild) - Unsplash

Forschende der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) haben die elektronische Struktur von Wasser entschlüsselt. Die Kenntnis darüber sei von grundlegender Bedeutung für Wissenschaft und Technik, schrieb die EPFL in einer Mitteilung vom Dienstag.

«Trotz der enormen Anzahl von experimentellen und theoretischen Studien über flüssiges Wasser hat die wissenschaftliche Gemeinschaft noch keinen Konsens über seine elektronische Struktur erzielt», schrieben die Autorinnen und Autoren in der Studie im Fachblatt «Proceedings» der US-Akademie der Wissenschaften («Pnas»).

Rätsel um Elektronenaffinität

Eines dieser bislang ungelösten Rätsel betrifft die sogenannte Elektronenaffinität, wie die EPFL erklärte. Also die Energiemenge, die freigesetzt wird, wenn ein Atom ein Elektron aufnimmt. Es ist ein Mass dafür, wie stark ein Atom Elektronen anzieht. Andere ungelöste Rätsel über elektronische Eigenschaften von Wasser betrafen die sogenannte Bandlücke und das Ionisierungspotenzial.

Selbst die derzeit genaueste Theorie der Elektronenstruktur habe diese Kenntnisse nicht verbessert, schrieb sie weiter. Diese Eigenschaften seien für das Verständnis des Verhaltens von Elektronen in Wasser unerlässlich und könnten in biologischen Systemen, Umweltzyklen und technologischen Anwendungen wie der Umwandlung von Sonnenenergie eine Rolle spielen.

Suche nach theoretischem Erklärungsrahmen

In ihrer Studie suchten die Forschenden um Alfredo Pasquarello nach einem theoretischen Erklärungsrahmen, der die experimentell gemessenen Verhaltensweisen von Wasser genauer trifft. Sie verfeinerten dafür ein kompliziertes mathematisches Modell mit dem Namen «Vielkörper-Störungstheorie» mit einer sogenannten Scheitelpunktkorrektur.

Mit Erfolg: «Unsere Untersuchung der Energieniveaus von Wasser bringt die hochkarätige Theorie näher an das Experiment heran», wurde Studienleiter Pasquarello in der Mitteilung zitiert. Das eröffne neue Möglichkeiten, etwa bei der Suche nach Materialeigenschaften, die spezifische elektronische Funktionalitäten aufweisen.