Magnesiumionen verlangsamen die Wasserdynamik auf kurzen Längenskalen

May 23, 2023

12. Oktober 2022

by Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

Das Vorhandensein von Ionen beeinflusst die Struktur und Dynamik von Wasser auf einer Vielzahl von Längen- und Zeitskalen. Neue Ergebnisse aus der Ultrakurzzeitspektroskopie und theoretischen Analysen zeigen, dass die Wasserumgebung bestimmter Paare von Magnesium- und Sulfationen einen entscheidenden Einfluss auf die Dynamik der wässrigen Lösungen hat.

Flüssiges Wasser, das natürliche Medium für biochemische und zelluläre Prozesse, besteht aus einem komplexen Netzwerk polarer Moleküle, die durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind. Wasser reagiert auf die Anwesenheit eines gelösten Stoffes mit einer Veränderung seiner lokalen Struktur. Der Einfluss negativ und positiv geladener Ionen auf flüssiges Wasser wird üblicherweise anhand der Hofmeister-Reihe klassifiziert, die Ionen nach ihrer Fähigkeit einordnet, das Wasser um sie herum zu strukturieren oder die Wasserstruktur zu zerstören.

Der mikroskopische Ursprung und die molekularen Mechanismen der Hoffmeister-Reihe sind trotz langjähriger Forschung umstritten. Die Hoffmeister-Reihe ist jedoch von großer Relevanz, da sie den Einfluss von Ionen auf in Wasser gelöste Biomoleküle charakterisiert.

Neuere Experimente und Simulationen haben nun einen deutlich komplexeren Einfluss von Ionen auf die Dynamik umgebender Wassermoleküle offenbart. Die in der Fachzeitschrift ACS Physical Chemistry Au veröffentlichte Studie kombiniert spektroskopische Experimente mit eingehenden theoretischen Analysen der molekularen Wechselwirkungen und Dynamiken.

Die Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin, der Freien Universität Berlin und der Ludwig-Maximilians-Universität München nutzten die asymmetrischen Streckschwingungen von Sulfat (SO42-)-Ionen als lokal empfindliche Sonden, um die dynamischen Eigenschaften der Umgebung abzubilden. In diesem Zusammenhang stellen hydratisierte Sulfationen ein prototypisches Modellsystem dar, da sie häufig in Mineralien vorkommen und in der Physiologie und Biochemie von großer Bedeutung sind.

Um Informationen über die lokale Hydratationsumgebung zu erhalten, nutzten die Forscher die experimentelle Technik der zweidimensionalen Infrarotspektroskopie im Femtosekunden-Zeitbereich und verglichen das Verhalten von Sulfationen in Gegenwart von Natrium- (Na+) oder Magnesium-Ionen (Mg2+). niedrige Ionenkonzentrationen.

Sie stellen fest, dass die Anwesenheit von Mg2+-Ionen die ultraschnellen Schwankungen der Wasserhülle um ein Sulfation reduziert, was zu einer spezifischen Verlangsamung der Solvatationsdynamik von hydratisiertem MgSO4 im Vergleich zu wässrigen Na2SO4-Lösungen führt.

Umfangreiche Simulationen liefern einen mikroskopischen Blick auf die beobachtete Dynamik und offenbaren ein molekulares Bild, in dem die Verlangsamung der Wasserdynamik auf strukturelle Merkmale von SO42-Mg2+-Ionenpaaren zurückzuführen ist, die Wassermoleküle in ihren Hydratationshüllen teilen.

Entgegen der weitverbreiteten Darstellung in der Literatur sind die beschriebenen Effekte von kurzer Reichweite und auf die ersten 1-2 Wasserschichten rund um das Sulfation beschränkt. Im Gegensatz zur Hoffmeister-Reihe, die den Einfluss von Ionenarten auf die Wasserstruktur klassifiziert, zeigen die neuen Ergebnisse eine besondere Relevanz individueller Solvatationsgeometrien spezifischer Ionenpaare für die Dynamik verdünnter wässriger Systeme.

Mehr Informationen: Achintya Kundu et al., Short-Range Cooperative Slow-down of Water Solvation Dynamics Around SO42-–Mg2+ Ion Pairs, ACS Physical Chemistry Au (2022). DOI: 10.1021/acsphyschemau.2c00034

Provided by Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)