Interview

Schwache Brücken, starke Wirkung

Im Jackett ihres Mannes bewarb sich Martina Havenith 1997 in ihrer Schwangerschaft auf eine Professur an der Ruhr-Universität Bochum – in dem festen Glauben, dass sie nur zum Üben zu dem Vorstellungsgespräch gehen würde. Fast 30 Jahre später ist sie immer noch in Bochum – als Sprecherin eines Exzellenzclusters, das mittlerweile in der dritten Förderphase ist und eine neue Forschungsdisziplin in der Chemie begründet hat. Im Interview erzählt die Forscherin, wie Wasser chemische Reaktionen beeinflusst, welche Rolle dabei Wasserstoffbrückenbindungen spielen und unter welchen Bedingungen Wasser so richtig aggressiv wird.

Frau Professor Havenith, Wasser ist chemisch betrachtet ein simpel aufgebautes Molekül: zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Sie haben einen großen Forschungsverbund um dieses kleine Molekül herum aufgebaut. Wie kam es dazu?
Wasser ist vollkommen faszinierend. Es hat Eigenschaften, die völlig ungewöhnlich sind für eine Flüssigkeit und auch solche, die man ihm gar nicht zutrauen würde. Unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen kann es richtig aggressiv werden. Vor allem aber ist es das Elixier des Lebens; fast alle biologischen Reaktionen finden in wässriger Lösung statt. Man weiß schon lange, dass die Wahl des Lösungsmittels die chemische Reaktion beeinflusst, die in ihm abläuft. Manche Lösungsmittel funktionieren besser als andere. Aber man wusste nicht warum. Heute können wir den Einfluss des Lösungsmittels – also zum Beispiel des Wassers – systematisch erforschen und Vorhersagen machen.

Das ist das Thema des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, kurz RESOLV, das seit 2012 gefördert wird.
Genau. Zu der Zeit, als wir das Cluster beantragt haben, hatten wir plötzlich neue Methoden zur Verfügung, um Wasser und andere Lösungsmittel auf der mikroskopischen Ebene zu untersuchen. Wir konnten nun sehen, was einzelne Wassermoleküle machen. Parallel dazu konnten die Theoretiker auf einmal Hunderte oder Tausende von Wassermolekülen simulieren, nicht mehr nur einzelne Moleküle. So konnten wir Theorie und Experiment verbinden und ganz neue Erkenntnisse gewinnen.

Martina Havenith leitet den Lehrstuhl für Physikalische Chemie II an der Ruhr-Universität Bochum und ist zudem seit 2012 Sprecherin des Exzellenzclusters RESOLV. 

© RUB, Marquard

Mit diesen Methoden können Sie unter anderem Wasserstoffbrückenbindungen untersuchen. Was ist das eigentlich?
Eine Wasserstoffbrückenbindung ist eine schwächere Form der Bindung als die chemische Bindung. Das heißt, sie kann bei Raumtemperatur auf und zu gehen. Und das macht sie auch. In flüssigem Wasser wird diese Bindung einmal in einer Millionstel von einer Millionstel Sekunde aufgebrochen und neu formiert. Ich nenne das den Terahertz-Tanz des Wassers. Terahertz bezeichnet dabei den Frequenzbereich, in dem man das Öffnen und Schließen der Bindung beobachten kann.

Wasserstoffbrückenbindungen

Während feste Materialien üblicherweise eine höhere Dichte haben als die zugehörigen flüssigen Phasen, ist es bei Wasser umgekehrt: Eis ist leichter als flüssiges Wasser und schwimmt oben.

© RUB, Kramer

Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom (im Bild unten rot dargestellt), das an zwei Wasserstoffatome gebunden ist (weiß). Das Sauerstoffatom besitzt zwei freie Elektronenpaare, welche eine schwache Bindung mit den Wasserstoffatomen anderer Moleküle eingehen können – die Wasserstoffbrückenbindung. Es handelt sich um eine gerichtete Bindung, die dem Wassermolekül eine Orientierung gibt. In gefrorenem Zustand (rechts) nimmt Wasser durch die Wasserstoffbrücken eine hexagonale Gitterstruktur ein. Unter dem Gefrierpunkt bleiben die Wasserstoffbrückenbindungen geschlossen. Bei Raumtemperatur hingegen öffnen und schließen sich die Bindungen permanent, sodass das Gitter teilweise aufbricht und einzelne Wassermoleküle die Hohlräume des Gitters füllen (links).

Illustration von flüssigem (links) und gefrorenem Wasser (rechts)

© RUB-Lehrstuhl für Theoretische Chemie II Henry Wang

Was ist ihr Lieblings-Forschungsprojekt im Exzellenzcluster RESOLV, das mit Wasserstoffbrückenbindungen zu tun hat?
Da muss ich direkt an unser Projekt zu überkritischem Wasser denken. Wenn man Wasser erhitzt und unter hohen Druck setzt, erreicht es den überkritischen Zustand. Normalerweise, wenn man Wasser in einem Kochtopf erhitzt, kann man gut sehen, wo die Oberfläche des flüssigen Wassers aufhört und der Wasserdampf anfängt. Bei überkritischem Wasser verschwimmt dieser Übergang, es gibt keinen Unterschied mehr zwischen gasförmig und flüssig. In diesem Zustand ist Wasser unglaublich aggressiv. Es greift alles an, womit es in Berührung kommt.

Welche Forschungsfrage hat Sie interessiert?
Wir wollten wissen, ob Wasser im überkritischen Zustand noch Wasserstoffbrückenbindungen hat, also eine bevorzugte Orientierung, oder nicht. Über diese Frage haben sich die Forscher sozusagen gegenseitig die Köpfe eingehauen.

Wenn das überkritische Wasser so aggressiv ist, wie konnten Sie es überhaupt untersuchen?
Zwei der wenigen Materialien, die überkritisches Wasser nicht angreift, sind Gold und Diamant. Wir mussten also dafür sorgen, dass das Wasser in unserer Versuchszelle mit nichts anderem in Kontakt kommt. Die Doktorandin, die den Versuch durchgeführt hat, hat das Wasser ferngesteuert ganz langsam über Nacht erhitzt, um den richtigen Zustand zu erreichen. Wenn man Pech hat, kommt das Wasser irgendwo aus der Zelle raus, und was auch immer es dann erwischt, macht es kaputt. Zweimal ist uns das passiert.

Ich habe mich schon gefragt, ob sich die Verwaltung irgendwann wundern wird, warum wir ständig Gold und Diamant bestellen und als Verbrauchsmaterial deklarieren.

Ich habe mich schon gefragt, ob sich die Verwaltung irgendwann wundern wird, warum wir ständig Gold und Diamant bestellen und als Verbrauchsmaterial deklarieren. Aber beim dritten Mal hat der Versuch dann geklappt.

Und was ist bei dem Experiment herausgekommen?
Auf der Zeitskala unserer Beobachtungen konnten wir keine Vorzugsrichtung des Wassers mehr erkennen, es hatte also keine Wasserstoffbrückenbindungen mehr.

Claudius Hoberg misst die Laserleistung an einem Ultrakurszeitspektrometer. Mit diesem Aufbau können Lösungsmittelprozesse in Echtzeit beobachtet werden, die auf Zeitskalen im Pikosekundenbereich stattfinden.

© RUB, Kramer

Eine Transmissionszelle wird mit einer wässrigen Probenlösung befüllt, welche zwischen zwei synthetischen Diamantscheiben mit exakt definiertem Abstand gehalten wird. Die Temperatur in der Messzelle lässt sich exakt einstellen, und die Lösung kann bei extremem Druck untersucht werden. Der Versuch findet im Terahertz-Spektralbereich statt.

© RUB, Kramer

Um Terahertz-Strahlung zu erfassen, werden spezielle Detektoren verwendet, die bei sehr kalten Temperaturen betrieben werden. Im Bild befüllt Simon Schulke einen Infrarotdetektor mit flüssigem Stickstoff, der Temperaturen von minus 196 Grad Celsius ermöglicht.

© RUB, Kramer

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Erforschen Sie noch andere Eigenschaften von Wasser?
Wir schauen uns unter anderem an, wie Wasser Wasserstoffbrückenbindungen mit anderen Molekülen ausbildet. Zu Zucker bildet es zum Beispiel noch lieber Wasserstoffbrücken aus als zu anderen Wassermolekülen. Man spricht von hydrophilen Molekülen, also den Freunden des Wassers. Mit hydrophoben Molekülen hingegen geht Wasser weniger gern eine Wasserstoffbrückenbindung ein als mit sich selbst. Durch solche Effekte kann Wasser eine zweidimensionale Schicht um Moleküle herum bilden, die sogenannte zweidimensionale Hydrathülle. Deren Struktur haben wir genau untersucht.

Wir konnten auch zeigen, wie diese Art der Hydrathülle chemische und biologische Funktionen beeinflusst. Diese Wechselwirkungen spielen zum Beispiel eine Rolle beim Verklumpen von Proteinen, die nervenschädliche Ablagerungen im Gehirn bilden können.

Welches Ergebnis hat Sie am meisten überrascht?
Viele. Meine Doktoranden fragen mich oft vor dem Experiment: Was erwarten wir denn? Dann sage ich ihnen immer: Das erzähle ich dir hinterher.

Mich überrascht vor allem, dass wir die Effekte überhaupt so deutlich sehen können.

Mich überrascht vor allem, dass wir die Effekte überhaupt so deutlich sehen können, zum Beispiel, dass wir die hydrophoben und die hydrophilen Wasserschichten so klar unterscheiden können. Als ich mit der Lösungsmittelforschung angefangen habe, hatten wir gar nicht die Methoden, um diese Dinge zu messen.

Das war 2012, als das Exzellenzcluster RESOLV das erste Mal gefördert wurde.
Damals wollte ich die Ruhr-Universität Bochum eigentlich verlassen, weil ich das Gefühl hatte, dass die Forschungsschwerpunkte nicht zu mir passten. Der damalige Rektor sagte mir: Wenn die Strukturen nicht zu den Leuten passen, muss man nicht unbedingt die Leute ändern. Man kann auch die Strukturen ändern. Er hat mich aufgefordert, mir selbst ein Thema zu suchen. An einer anderen Uni hatte ich schon verhandelt und hätte eine Ausstattung für 3 Millionen Euro bekommen. In Bochum hatte ich nur die Chance, einen Antrag zu schreiben. Ich habe mich für den Antrag entschieden – weil ich schon immer Optimistin und gewillt war, Risiken einzugehen.

Und aus diesem Antrag entstand das Exzellenzcluster?
Ursprünglich wollten wir nur einen Forschungsbau beantragen. Damals – wir waren naiv! – haben wir gesagt: Es ist ja auch nicht viel mehr Arbeit, zusätzlich ein Exzellenzcluster zu beantragen. War es natürlich schon. Aber als wir einmal dran waren, hat uns mehr und mehr die Begeisterung gepackt, und wir haben immer weitergemacht. So entstand gemeinsam mit meinen Bochumer Kollegen Dominik Marx und Wolfram Sander die Idee für RESOLV. Wobei der Antrag erst einen anderen Namen hatte.

Als Akronym für das Exzellenzcluster stand zuerst „UNSOLV“ im Raum. Da haben wir sofort gesagt: Dafür kriegen wir nie Geld.

Welchen denn?
Wir hatten den Untertitel „Understanding solvent-driven processes“ formuliert, sodass als Akronym „UNSOLV“ im Raum stand. Da haben wir sofort gesagt: Dafür kriegen wir nie Geld. Wir brauchen noch ein R und ein E! Und dann haben wir überlegt, welche Begriffe wir für das R und das E finden können. So entstand der Name „Ruhr Explores Solvation“ – das passt heute perfekt, weil wir für RESOLV mittlerweile eine gemeinsame Sprecherschaft in Bochum und Dortmund haben, und mit vielen weiteren Partnern aus der Region zusammenarbeiten.

Wagen Sie den Blick in die Glaskugel? Wo wird RESOLV nach der dritten siebenjährigen Förderphase stehen?
Den wage ich nicht. Meine Erfahrung sagt mir, dass mit Sicherheit weitere völlig überraschende Forschungsergebnisse folgen werden. Aber ansonsten verrate ich Ihnen meine Erwartungen genauso wenig wie meinen Doktorandinnen und Doktoranden.