Struktur des Wassers: Entropie entscheidet, ob Ionen haften

Obwohl Wassermoleküle keine ungeordneten Wirbel bilden, sondern bevorzugte Strukturen formen können, wird diese wissenschaftliche Tatsache oft für unwissenschaftliche Behauptungen missbraucht. Die Rede ist dann von einem angeblichen „Wassergedächtnis“ oder von „Wasserclustern“ als Erklärungsversuchen für die Homöopathie. All das ist zwar widerlegt, doch auch ohne magische Informationsspeicherung hat die Fähigkeit des Wassers, kurzfristige Strukturen zu bilden, wichtige Konsequenzen.

Eine neue Studie der TU Wien, die in Zusammenarbeit mit der Universität Wien und der Universität Oslo im Rahmen des FWF-geförderten Exzellenzclusters „MECS“ entstand, untermauert dies nun. Die Forschenden untersuchten, wie leicht sich geladene Teilchen an einer Oberfläche festhalten lassen – eine zentrale Frage für Batterien, Brennstoffzellen oder biologische Membranen. Die neuen Ergebnisse zeigen deutlich, dass sich dieser Prozess nur dann verstehen lässt, wenn man die Strukturen berücksichtigt, die Wasser auf einer Nanosekunden-Skala ausbildet.

Warum Teilchenbewegung im Wasser komplexer ist als gedacht

Der physikalische Prozess scheint auf den ersten Blick simpel zu sein, wenn sich positiv geladene Ionen in einer wässrigen Lösung an einer negativ geladenen Oberfläche anlagern. Markus Valtiner erklärt dazu: „Wenn sich positiv geladene Ionen in einer wässrigen Lösung an einer negativ geladenen Oberfläche anlagern, dann klingt das eigentlich physikalisch zunächst sehr einfach. Entgegengesetzte elektrische Ladungen ziehen einander an, also bewegt sich das Teilchen zur Oberfläche. Aber in Wirklichkeit ist die Sache dann doch etwas komplizierter.“ In einer wässrigen Umgebung bewegen sich geladene Teilchen nämlich nicht isoliert, sondern sind stets von Wassermolekülen umgeben, die sich auf unterschiedliche Weise anordnen können. Wie stark diese molekulare Ordnung ausgeprägt ist, hängt dabei maßgeblich vom jeweiligen Teilchen ab. Markus Valtiner führt weiter aus: „Lithium-Ionen etwa sind winzig klein, sie können das Wasser ringsherum sehr stark ordnen. Cäsium-Ionen hingegen sind groß, bei ihnen ist der Effekt viel kleiner“.

Geordnetes Wasser – aber nur für Nanosekunden

Allerdings darf man sich diese Ordnung nicht vorstellen wie geordnete Atome in einem Kristall. „Diese Ordnung ist statistischer Natur“, erklärt Markus Valtiner. „Die Wassermoleküle vibrieren ununterbrochen, sie bewegen sich sehr schnell, sie verteilen sich laufend neu, bilden schwache Bindungen und lösen sie wieder auf.“

Das bedeutet, dass die Wassermoleküle keineswegs als „Informationsspeicher“ fungieren, wie es manchmal fälschlicherweise dargestellt wird. Vielmehr vollführen sie eine Art regelgeleiteten „Tanz“ rund um das Ion. Statistisch gesehen ist dieser Tanz des Wassers um ein Lithium- oder ein Calcium-Ion in gewissem Sinn geordneter als der Tanz um ein Cäsium-Ion.

Wenn sich die Ionen nun zur Oberfläche bewegen, führen sie diese Wasserhüllen mit sich. Bei der anschließenden Anlagerung des Ions wird das umgebende Wasser dazu gezwungen, sich anders zu strukturieren, als es das sonst tun würde. „Ionen, die einen stärkeren Einfluss auf die umgebenden Wassermoleküle haben, erzeugen im Wasser mehr Ordnung – thermodynamisch gesprochen heißt das: Sie erzeugen einen Zustand geringerer Entropie“, erklärt Markus Valtiner. „Und je geringer die Entropie, umso unwahrscheinlicher ist es, dass sich ein solcher Zustand von selbst ergibt. Solche Ionen lagern sich daher weniger leicht direkt an der Oberfläche an.“

Kein esoterisches „Wassergedächtnis“

Um diese Oberflächeneffekte präzise zu erfassen, kombinierte das Forschungsteam hochauflösende Rasterkraftmikroskopie, molekulardynamische Simulationen und spektroskopische Messungen. Aus diesen Daten entwickelten sie ein thermodynamisches Modell, das die Adsorption von Teilchen erstmals quantitativ beschreibt, indem es unterschiedliche Effekte zusammenführt: die elektrostatische Anziehung einerseits sowie Entropie, Ordnungswahrscheinlichkeit und die Interaktion mit den umgebenden Wassermolekülen andererseits.

Dadurch lässt sich nun bei Batterien, Elektroden, Katalysatoren oder biologischen Membranen wesentlich gezielter vorhersagen, welche Ionen an einer Oberfläche haften und wie sie sich dort verhalten. Für solche Prognosen müssen künftig nicht mehr nur die elektrischen Ladungen berücksichtigt werden, sondern ebenso die statistische Ordnung des Wassers. „Das ist kein magisches Wassergedächtnis, das hat nichts mit esoterischen Vorstellungen von Wasser-Information zu tun“, betont Markus Valtiner. „Es handelt sich einfach um ein physikalisch hochinteressantes dynamisches Verhalten zwischen verschiedenen Ionen und den umgebenden Wassermolekülen – und wir haben ein quantitatives Modell gefunden, mit dem man diese Wechselwirkung präzise beschreiben kann.“

Quelle

Technische Universität Wien (05/2026)