Hamburg besitzt (angeblich) mehr Brücken als Venedig. Insofern ist die Hansestadt ein perfekter Standort, um alles über Brücken zu erfahren – und ab jetzt gilt das auch für Wasserstoffbrücken. Es sind diese ganz besonderen chemischen Bindungen, die ein Wassermolekül mit benachbarten Wassermolekülen verknüpfen. Sie sind mitverantwortlich für einige der erstaunlichen und zum Teil immer noch immer rätselhaften Eigenschaften von Wasser. Und genau diese Eigenschaften sollen die Basis bilden für eine neuartige Klasse von High-Tech-Materialien, den „water-driven“ oder auch „Blue“ Materials. Die Besonderheiten des Wassers sollen dabei der Schlüssel sein, um technischen Materialien neue Funktionalitäten oder Eigenschaften zu verleihen. So könnten etwa smarte Dämmstoffe entwickelt werden, die ihre Thermoregulierung aktiv der Umgebungstemperatur anpassen- Oder wasserbasierte Materialien, die Energie besonders effizient zu speichern helfen.

„Schon bei der ersten industriellen Revolution im 18. Jahrhundert hat Wasser eine entscheidende Rolle gespielt – vor allem als Arbeitsflüssigkeit, die in Dampfmaschinen die Umwandlung von der chemischen Energie der Kohle in die Bewegungsenergie von Pumpen und Motoren ermöglicht hat“,  so Patrick Huber, Sprecher von BlueMat, TUHH-Professor und zugleich Leitender Wissenschaftler bei DESY. Die Forschung am Exzellenzcluster werde nun aber vor allem die Wirkung von Wasser auf der Nanoebene in den Blick nehmen, und damit die Rolle dieser vermeintlichen „Allerweltsflüssigkeit“ bei der Suche nach neuen Funktionalitäten völlig neu definieren.

 Wassermoleküle sind zum Beispiel äußerst flexibel polarisierbar. Sie reagieren mit ihrer besonderen Kombination von elektrochemischen Eigenschaften sehr sensibel auf elektrische Felder, Oberflächenladungen, geometrische Bedingungen oder Temperaturveränderung. Solche Parameter aktiv zu steuern – das könnte bei der Entwicklung neuartiger Energiespeicher von Nutzen sein. Oder auch für die Erzeugung von Elektrizität in nanoporösem Material, das etwa durch Tidenhub am Meer einem stetigen Wechsel von Benetzung und Trocknung ausgesetzt ist. Das junge Feld mit dem Namen „Hydrovoltaik“, es regt schon heute die Fantasie vieler Forschenden an. Und das „Nass-Trocken-Gezeitenkraftwerk“ ist nur eine von vielen Ideen.

Auch andere Besonderheiten des Wassers spielen bislang vor allem auf der Nanoebene eine Rolle: Nanoporöse Materialien bieten zum Beispiel eine enorm große Angriffsfläche für die Kapillarkräfte durch die Oberflächenspannung des Wassers. Ein nanoporöser Schwamm von der Größe eines Zuckerwürfels verfügt schon über eine (innere) Oberfläche so groß wie ein Fußballfeld. Das ist ein starker Hebel für diese vermeintlich so kleinen Kräfte – und kann zum Beispiel für rein wassergetriebene Mechanismen der Bewegung und Verformung von Material genutzt werden.

Diese und viele weitere Wasser-Zusammenhänge besser zu verstehen – und sie dann vielleicht sogar zu skalieren und in neuen technischen Anwendungen auch auf der Makro-Ebene nutzbar zu machen: Das ist das Ziel der BlueMat-Forschenden am neuen Exzellenzcluster der TUHH.

Welche Rolle kann DESY in dieser Kooperation spielen? 

Da sich die spektakulären Eigenschaften des Wassers vor allem auf der molekularen Ebene abspielen, sind die tiefen Einblicke durch DESYs große Röntgenmikroskope zur Entschlüsselung vieler Wasser-Rätsel unerlässlich. Das betonte die Vorsitzende des DESY Direktoriums, Beate Heineman, in ihrer Keynote zum Launch des Exzellenzclusters. Und für das Zukunftsprojekt PETRA IV ist die molekulare Wasserforschung geradezu ein „Science Driver“: Nutzergruppen sollen dort Wasser und wässrige Systeme in verschiedensten Bedingungen testen können, im Vakuum oder unter Hochdruck, flüssig oder gefroren. Und vor allem: im Zeitverlauf. Dabei kann die Rolle von Wasser bei allen möglichen Vorgängen und chemischen Reaktionen untersucht werden: von Korrosionsprozessen bis hin zur Bedeutung von Wassermolekülen in der Batteriechemie oder ihrem exakten Verhalten bei der Katalyse.

Dazu kommt: Das Center for Molecular Water Science (CMWS), das in den vergangenen  Jahren auf dem DESY-Campus als pan-europäische Forschungskooperation entstanden ist – es ergänzt die BlueMat Forschung perfekt. Das, so Patrick Huber, wird auch durch starke personelle Verbindungen zwischen BlueMat und CMWS unterstützt werden.

Für den Exzellenzcluster BlueMat an der TU Hamburg wurden rund 60 Millionen Euro bewilligt.  Prof. Andreas Timm-Giel, Präsident der TU: „Das ist ein echter Meilenstein für die TUHH und unseren Weg zur Spitzenforschung. Der Exzellenzcluster zeigt, wie wir Wissenschaft mit gesellschaftlicher Verantwortung verbinden – und Innovationen entwickeln, die echten Mehrwert für Menschen und Umwelt schaffen.“

Am Exzellenzcluster der TU Hamburg sind neben DESY sind auch viele weitere Institutionen mit als Partner mit dabei: Universität Hamburg, Helmholtz-Zentrum Hereon, Hochschule für bildende Künste Hamburg, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, European XFEL, Helmut-Schmidt-Universität Hamburg, Fraunhofer IAPT, Hamburg Media School, Center for Molecular Water Science CMWS, United Nations University, Joachim Herz Stiftung

Weiterführende Infos: 

Die neuesten BlueMat News gibt es ab jetzt immer hier.

Wer sich in dieses Thema weiter vertiefen möchte: Vom 23.-25 Februar finden auf dem DESY Campus in Hamburg die Water Days statt, mehr Informationen hier.