Hydratationsstrukturen an geladenen Oberflächen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Angelika Kühnle
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452731703

In diesem Projekt wollen wir den Einfluss eines angelegten elektrischen Feldes auf die Wasserstruktur an der Grenzfläche von verschiedenen metallischen und nichtleitenden Modelloberflächen untersuchen. Ein Schwerpunkt des Projektes soll dabei sein, die Balance zwischen der Ausrichtung des elektrischen Dipols des Wassermoleküls im elektrischen Feld und der spezifischen Bindung des Wassers an die Oberfläche zu beleuchten. Da Wasser ein ausgedehntes Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen bildet, werden darüber hinaus auch kooperative Effekte auf die Strukturbildung Einfluss nehmen. In Abhängigkeit vom Oberflächenpotential können sich zudem gelöste Ionen an der Grenzfläche anreichern. Dass gelöste Ionen die Wasserstruktur an der Grenzfläche beeinflussen können, ist unbestritten. Wie genau sich allerdings spezifische Ionen verhalten, ist weitestgehend ungeklärt.Für dieses Projekt wollen wir einen experimentellen Aufbau weiterentwickeln, der es erlauben wird, die dreidimensionale Wasserstruktur über einer Oberfläche auch in Gegenwart eines angelegten elektrischen Feldes abzubilden. Hierfür nutzen wir ein existierendes Rasterkraftmikroskop, das wir in der Vergangenheit so umgebaut haben, dass die Wasserstruktur an Grenzflächen direkt abgebildet werden kann. Um unter kontrolliertem elektrischen Potential messen zu können, werden wir diesen Aufbau um eine elektrochemische Zelle erweitern. Als erste Testsubstrate werden wir die (111) Oberflächen von inerten Metallen (Gold und Platin) in reinem Wasser untersuchen, um unsere Resultate mit existierenden Berechnungen und komplementären experimentellen Ergebnissen vergleichen zu können. In einem weiteren Schritt werden wir ausnutzen, dass mit dem Rasterkraftmikroskop auch nichtleitende Oberflächen untersucht werden können. Hier werden wir mit Flussspat, Calcit und Quarzglas auch Oberflächen untersuchen, die unterschiedliche, spezifische Bindungen zu Wasser ausbilden. Der Vergleich dieser Systeme soll ermöglichen, den relativen Einfluss des elektrischen Feldes und der spezifischen Bindung auf die sich ausbildende Wasserstruktur zu beleuchten. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass diese Probensysteme transparent sind und daher einen Vergleich mit summenfrequenzspektroskopischen Messungen erlauben. Somit können die räumlich aufgelösten Daten aus der Rasterkraftmikroskopie um eine gemittelte Information der Molekülorientierung ergänzt werden. Schließlich wollen wir den Einfluss gelöster Ionen auf die Wasserstruktur bei kontrolliertem Oberflächenpotential untersuchen. Hier werden wir systematisch untersuchen, welchen Einfluss die Ladung und Größe der Ionen auf die Wasserstruktur an der Grenzfläche hat und wie sich dieser Einfluss durch ein angelegtes elektrisches Potential verändert.Zusammenfassend gibt dieses Projekt einen detaillierten Einblick in die Mechanismen, die für die Ausbildung der Wasserstruktur an geladenen Grenzflächen verantwortlich sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien, Finnland, Österreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Ellen Backus; Professor Dr. Adam Stuart Foster; Professor Dr. Julian D. Gale