Forscher entwerfen extrem schnellen Wasserkocher

Forscher am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) haben eine Methode entworfen, um Wasser in weniger als einer billionstel Sekunde zum Kochen zu bringen. Ihre Modellrechnungen zeigen: Mit Terahertzstrahlung lässt sich ein Tröpfchen Wasser in nur einer halben Pikosekunde um 600 Grad Celsius erhitzen. Das Verfahren eröffnet neue Experimentiermöglichkeiten mit erhitzten chemischen oder biologischen Proben, wie die Wissenschaftler in der internationalen Ausgabe des Fachblattes „Angewandte Chemie“ berichten.

„Wasser ist das bedeutendste Medium, in dem chemische und biologische Prozesse stattfinden“, erläutert Oriol Vendrell vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg. „Wasser ist nicht nur ein passives Lösungsmittel, sondern spielt eine wichtige Rolle für die Dynamik vieler biologischer und chemischer Prozesse, indem es etwa bestimmte chemische Verbindungen stabilisiert und manche Reaktionen überhaupt erst ermöglicht.“

Herzstück des neuen Verfahrens ist ein konzentrierter Blitz sogenannter Terahertzstrahlung. Er besteht aus elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz, die zwischen der von Radiowellen und Infrarotstrahlung liegt. Solche Terahertz-Blitze lassen sich unter anderem mit Freie-Elektronen-Lasern erzeugen, die schnelle Elektronen auf einen genau festgelegten Slalomkurs schicken. In jeder Kurve senden die Elektronen Strahlungsblitze aus, die sich zu einem intensiven, laserartigen Puls addieren. Dieser Puls versetzt die Wassermoleküle auf einen Schlag in heftige Schwingungen und löst die Wasserstoffbrückenbindungen, über die Wassermoleküle im flüssigen Zustand verbunden sind. Für kurze Zeit entsteht eine heiße Gaswolke mit einer besonderen Eigenschaft: Sie behält die Dichte der Flüssigkeit bei.

Computerdarstellung der Wasserwolke

„Wir kommen zu dem Ergebnis, dass es möglich sein sollte, die Flüssigkeit in nur einer halben Pikosekunde auf rund 600 Grad Celsius zu erhitzen, und damit eine kurzlebige, heiße und strukturlose Umgebung mit der Dichte der Flüssigkeit zu erschaffen, wobei die einzelnen Wassermoleküle intakt bleiben“, erläutert Vendrell. Die Wissenschaftler haben die Wechselwirkung der Terahertzstrahlung mit Wasser in Simulationen berechnet, die etwa 200.000 Stunden Prozessorzeit am Rechenzentrum Jülich in Anspruch nahmen.

Mit der neuen Methode lässt sich lediglich etwa ein Nanoliter – das entspricht einem milliardstel Liter – auf einen Schlag erhitzen. „Unser Plan ist, das ‚Lösungsmittel‘ zu erhitzen, damit viele Moleküle den gewünschten chemischen Prozess zur selben Zeit starten und man dann die Entwicklung der Reaktion verfolgen kann", erklärt Vendrell, der das Konzept für die Superheizung gemeinsam mit Forscherkollegen vom CFEL erarbeitet hat. Obwohl die heiße Miniwolke nach nicht einmal einer tausendstel Sekunde auseinanderfliegt, besteht sie lange genug, um alle interessanten Vorgänge in thermischen Reaktionen zu beobachten – etwa Reaktionen organischer Moleküle, die für biologische Prozesse interessant sind. Mit hinreichend kurzen Röntgenblitzen lassen sich dann die verschiedenen Stufen einer Reaktion verfolgen.