Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verhalten der Ionen nur verstehen lässt, wenn die Strukturen berücksichtigt werden, die Wasser auf Nanosekunden-Skala ausbildet. Hintergrund ist, dass Wassermoleküle nicht ungeordnet durcheinanderwirbeln, sondern statistisch bevorzugte Strukturen ausbilden können. Wissenschaftlich belegt ist dieser Effekt seit Langem, auch wenn er häufig in pseudowissenschaftlichen Zusammenhängen – etwa beim angeblichen „Wassergedächtnis“ oder bei „Wasserclustern“ als Erklärung für Homöopathie – fehlinterpretiert werde.

„Wenn sich positiv geladene Ionen in einer wässrigen Lösung an einer negativ geladenen Oberfläche anlagern, dann klingt das eigentlich physikalisch zunächst sehr einfach“, sagt Markus Valtiner vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Entgegengesetzte elektrische Ladungen ziehen einander an, also bewegt sich das Teilchen zur Oberfläche. Aber in Wirklichkeit ist die Sache dann doch etwas komplizierter.“

Der Grund: Geladene Teilchen bewegen sich in Wasser nicht isoliert, sondern sind von Wassermolekülen umgeben, die sich je nach Ion unterschiedlich anordnen. „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“, sagt Markus Valtiner.

Dabei handle es sich jedoch nicht um starre Strukturen wie 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.“

Die Forschenden beschreiben diesen Prozess als eine Art „Tanz“ der Wassermoleküle um das jeweilige Ion. Der „Tanz“ um Lithium- oder Calcium-Ionen sei statistisch gesehen geordneter als jener um Cäsium-Ionen. Bewegen sich die Ionen zur Oberfläche, führen sie diese Wasserhülle mit sich. Bei der Anlagerung an die Oberfläche wird das Wasser gezwungen, seine Struktur neu anzuordnen.

„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.“

Für die Untersuchung kombinierte das Forschungsteam hochauflösende Rasterkraftmikroskopie, molekulardynamische Simulationen und spektroskopische Messungen. Auf dieser Basis entstand ein thermodynamisches Modell, das die Adsorption von Teilchen quantitativ beschreibt. Erstmals werden dabei elektrostatische Anziehung, Entropie, Ordnungswahrscheinlichkeit und die Wechselwirkung mit den umgebenden Wassermolekülen gemeinsam betrachtet.

Das Modell soll künftig helfen, gezielter vorherzusagen, welche Ionen an Oberflächen haften und wie sie sich dort verhalten – etwa in Batterien, Elektroden, Katalysatoren oder biologischen Membranen. Neben den elektrischen Ladungen müsse dabei auch die statistische Ordnung des Wassers berücksichtigt werden.

„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.“

Originalpublikation:
Olgiati, M., et al. (2026). Entropic–dielectric interplay governs ion adsorption in inner electric double layers. Science Advances. DOI:10.1126/sciadv.aee9469

Quelle: Technische Universität Wien