Neue Simulationsmethode Wie Wasser seine außergewöhnlichen Eigenschaften erhält
Wasser ist bei Raumtemperatur flüssig – erstaunlich für so ein kleines Molekül. Einblicke in die Ursachen gibt eine neue Simulationsmethode, die ihren Ursprung in der Hirnforschung hat.
Mit künstlichen neuronalen Netzen haben Bochumer und Wiener Forscher die atomaren Wechselwirkungen von Wassermolekülen untersucht. Die neu entwickelte Methode ist ebenso präzise wie quantenmechanische Berechnungen, aber 100.000-mal schneller.
„Wir können damit Computersimulationen durchführen, die mit dem herkömmlichen quantenmechanischen Verfahren nicht möglich wären, weil der Rechenaufwand selbst für Supercomputer zu hoch wäre“, sagt Privatdozent Dr. Jörg Behler von der RUB. Gemeinsam mit Kollegen berichtet er in „Proceedings of the National Academy of Sciences“, kurz PNAS.
Schwache Kräfte bestimmen Verhalten
Dr. Tobias Morawietz wandte die Methode in seiner Doktorarbeit erstmals an, um ungewöhnliche Eigenschaften von Wasser zu untersuchen, die nicht allein aufgrund des chemischen Aufbaus zu verstehen sind.
Eis schwimmt auf flüssigem Wasser, weil es seine höchste Dichte bei vier Grad Celsius erreicht. Auch ungewöhnlich ist, dass das kleine Molekül bei Raumtemperatur flüssig und nicht gasförmig ist. Eine wichtige Rolle für diese Phänomene spielen Wasserstoffbrücken-Bindungen.
Die Analysen ergaben, dass Van-der-Waals-Wechselwirkungen entscheidend für die Geometrie und Flexibilität der Wasserstoffbrücken sind. Auf diese Weise bestimmen sie die Eigenschaften von Wasser, obwohl sie nur sehr schwache Kräfte ausüben, schwächer zum Beispiel als elektrostatische Wechselwirkungen.
