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Water has some unusual properties: the density of frozen water, for instance, is lower then the density of liquid water – which is why icebergs do not sink below the water surface. © Julia Weiler

Water molecules dance in three

Ang.Chem.: Water may look like a simple liquid. However, it is anything but simple to analyse. The unique properties of water are only understandable, if scientists observe the interaction of the molecules.

An international team of scientists lead by Professor Martina Havenith from RUB has been able to shed new light on the properties of water at the molecular level. In particular, they were able to describe accurately the interactions between three water molecules, which contribute significantly to the energy landscape of water. The research could pave the way to better understand and predict water behaviour at different conditions, even under extreme ones. The results have been published online in the journal “Angewandte Chemie” on 19 April 2020.

Analysing the water trimer

Despite water is at first glance looking like a simple liquid it has many unusual properties, one of them being that it is less dense when it is frozen than when it is liquid. In the simplest way liquids are described by the interaction of their direct partners, which are mostly sufficient for a good description, but not in the case of water: The interactions in water dimers account for 75 per cent of the energy that keeps water together.

Martina Havenith, head of the Bochum-based Chair of Physical Chemistry II and spokesperson for the Ruhr Explores Solvation (RESOLV) Cluster of Excellence, and her colleagues from Emory University in Atlanta, US, recently published an accurate description of the interactions related to the water dimer. In order to get access to the cooperative interactions, which make up 25 per cent of the total water interaction, the water trimer had to be investigated. Now, the team lead by Martina Havenith in collaboration with colleagues from Emory University and of the University of Mississipi, US, has been able to describe for the first time in an accurate way the interaction energy among three water molecules. They tested modern theoretical descriptions against the result of the spectroscopic fingerprint of these intermolecular interactions. The work was done under the umbrella of the Ruhr Explores Solvation (RESOLV) Cluster of Excellence.


additional information

Detailed Press Release

Original Publication:Martina Havenith-Newen, Raffael Schwan, Chen Qu, Devendra Mani, Nitish Pal, Gerhard Schwaab, Joel M. Bowman, Gregory Tschumper: Observation of the low frequency spectrum of water trimer as a sensitive test of the water trimer potential and the dipole moment surface, in: Angewandte Chemie International Edition, 2020, DOI: 10.1002/anie.202003851

 

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Tanz von drei Wassermolekülen beobachtet


Ang.Chem.: Wasser sieht zwar wie eine einfache Flüssigkeit aus, ist aber alles andere als leicht zu analysieren. Doch nur wenn man das Zusammenspiel der Moleküle versteht, sind die besonderen Eigenschaften von Wasser zu erklären.

Neue Erkenntnisse zu den Eigenschaften von Wasser hat ein internationales Forschungsteam um Prof. Dr. Martina Havenith von der RUB auf molekularer Ebene gewonnen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie beschreiben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Interaktionen von drei Wassermolekülen mit zuvor unerreichter Genauigkeit. Die Ergebnisse helfen, die Energielandschaft der Wassermoleküle und somit auch ihre Eigenschaften besser zu verstehen und unter bestimmten, auch extremen Bedingungen vorhersagen zu können. Der Artikel ist am 19. April 2020 online erschienen.

Erst zwei, dann drei Moleküle analysiert

Obwohl Wasser auf den ersten Blick eine denkbar einfach aufgebaute Flüssigkeit zu sein scheint, hat es einige ungewöhnliche Eigenschaften, zum Beispiel ist seine Dichte in gefrorenem Zustand geringer als in flüssigem Zustand. Flüssigkeiten werden normalerweise sehr gut durch das paarweise Zusammenspiel eines Moleküls mit seinem direkten Interaktionspartner beschrieben, was in der Regel für eine gute Charakterisierung ausreichend ist. Es reicht also zu betrachten, wie zwei Moleküle wechselwirken – allerdings nicht bei Wasser.

Die paarweise Interaktion zwischen jeweils zwei Wassermolekülen macht 75 Prozent der Energie aus, die Wasser zusammenhält. Um die restlichen 25 Prozent zu verstehen, muss die Interaktion von drei Molekülen betrachtet werden. Nachdem Martina Havenith, Leiterin des Lehrtuhls für Physikalische Chemie II, und ihre US-amerikanischen Kooperationspartner 2019 bereits die Interaktion von zwei Wassermolekülen präzise analysiert hatten, beschrieben sie in der aktuellen Arbeit nun die Interaktion von drei Molekülen mithilfe der Terahertz-Spektroskopie. Die Arbeiten fanden statt im Rahmen des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv. Die Bochumer Gruppe kooperierte mit der Emory University in Atlanta und der University of Mississipi.

 

ZUSÄTZLICHE INFORMATION

Ausführliche Presseinformation

Originalveröffentlichung: Martina Havenith-Newen, Raffael Schwan, Chen Qu, Devendra Mani, Nitish Pal, Gerhard Schwaab, Joel M. Bowman, Gregory Tschumper: Observation of the low frequency spectrum of water trimer as a sensitive test of the water trimer potential and the dipole moment surface, in: Angewandte Chemie International Edition, 2020, DOI: 10.1002/anie.202003851