Notizen

<h2>Studenten sind zufrieden</h2>
61 % der Studierenden sind mit ihren Studienbedingungen sehr zufrieden, drei Viertel studieren gern an ihrer Hochschule. Das gaben Studenten im Jahr 2012 im Studienqualitätsmonitor an, den das HIS-Institut für Hochschulforschung und die AG Hochschulforschung der Uni Konstanz jährlich erstellen. 2012 haben rund 49 000 Studierende teilgenommen. Neben positiven Urteilen kamen auch Verbesserungswünsche zum Ausdruck, z. B. bei der Struktur der Studiengänge. Fachhochschulen schneiden besser ab als Universitäten. SK
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<h2>Forschungsministerium zahlt am meisten für externe Dienstleister</h2>
465 Mio. Euro gab das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in den vergangenen drei Jahren für externe Dienstleister und Berater aus. Im jahr 2009 lagen die Ausgaben noch bei 3,9 Mio. Euro, in diesem Jahr beträgt die Summe bereits 260 Mio. Euro. 2012/13 vergab das BMBF neue Aufträge an externe Dienstleister, weil es 2010 sämtliche Projekte neu ausschrieb. Insgesamt gaben alle Ministerien zusammen 977 Mio. Euro aus. Dem BMBF mit den höchsten Ausgaben folgt das Bundeswirtschaftsministerium mit 115 Mio. Euro. SK


<h2>Young Investigator Award 2014</h2>
Eppendorf verleiht den Award for Young European Investigators an Forscher, die nicht älter als 35 Jahre sind und mit molekularbiologischen Methoden biomedizinische Forschung betreiben. Kandidaten können sich bis zum 15. Januar 2014 bewerben. Der Preisträger erhält 15 000 Euro und darf einen Artikel in Nature publizieren. FR
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<h2>Weniger Habilitationen</h2>
Im Jahr 2012 haben 1646 Wissenschaftler ihre Habilitation an deutschen Hochschulen abgeschlossen. Mehr als die Hälfte habilitierte in Humanmedizin und Gesundheitswissenschaften. In den Naturwissenschaften waren es 259.
Im Vergleich zu 2011 ist die Zahl der Habilitationen um 5 % gestiegen. Der Frauenanteil nahm seit 2000 um etwa 10 % zu, in den Sprach- und Kulturwissenschaften liegt ihr Anteil bei 40 %. Nach Berechnungen des Statistischen Bundesamts geht die Zahl der Habilitationen dennoch zurück. Das liegt an der 2002 eingeführten Juniorprofessur. Damals habilitierten noch 2302 Wissenschaftler, seitdem ist die Zahl um 29 % gesunken. Auch in der Chemie gingen die Habilitationen um 29 % zurück. SK
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<h2>Studieren ist beliebt</h2>
Im Wintersemester 2012/13 erreichten die Hochschulen mit 2,5 Mio. Studenten einen neuen Höchststand, berichtet das Statistische Bundesamt. Die meisten Studenten, 1,6 Mio., waren an Universitäten eingeschrieben. Die beliebtesten Fächer waren die Ingenieurwissenschaften unter den Männern und die Sprach- und Kulturwissenschaften bei den Frauen. SK
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<h2>Eltern finanzieren Studium</h2>
87 % der Studenten erhielten im Jahr 2012 durchschnittlich 476 Euro monatlich von ihren Eltern. Damit finanzieren Eltern nach wie vor den Großteil des Studiums. Die zweithäufigste Einnahmequelle ist der eigene Verdienst. Zwei Drittel der Studierenden verdienen im Schnitt 323 Euro im Monat dazu. BAföG erhielten ein Drittel der Studenten. SK
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<h2>Mehr Geld für Professoren</h2>
Baden-Württemberg erhöht die W-Gehälter für Professoren. Juniorprofessoren erhalten rückwirkend zum 1. Januar 4288 Euro Grundgehalt, 300 Euro mehr als bisher. Zudem können sie Zulagen in der Höhe ihres Grundgehalts beziehen. Diese waren bisher auf 600 Euro im Monat beschränkt. Das W2-Gehalt steigt um 750 Euro auf 5400 Euro, das W3-Gehalt um 518 Euro auf 6130 Euro. Die Gehaltsreform wandelt die Hälfte der Leistungszulagen für W2- und W3-Professoren in Grundgehalt um und rechnet sie als Erhöhung an. Mit der Reform der W-Besoldung folgt Baden-Württemberg dem Urteil des Bundesverfassungsgerichts aus dem Jahr 2012: Der Marburger Chemieprofessor Bernhard Roling hatte gegen die W-Besoldung geklagt und Recht bekommen [Nachr. Chem. 2012, 60, 215]. Daraufhin erhöhten der Bund und sechs Länder bereits die Professorengehälter. FR
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Franziska Rauh, Sophie Kopsch, Frankfurt

Forschung und Bildung

Studenten sind zufrieden 61 % der Studierenden sind mit ihren Studienbedingungen sehr zufrieden, drei Viertel studieren gern an ihrer Hochschule. Das gaben Studenten im Jahr 2012 im Studienqualitätsmonitor an, den das HIS-Institut für Hochschulforschung und die AG Hochschulforschung der Uni Konst...

Magazin

Wasser ist eines der am häufigsten untersuchten Systeme, da es wegen seiner Bedeutung für die Biologie, Chemie und das Leben auf der Erde die wohl wichtigste Flüssigkeit ist.1 Deshalb dient es häufig als Plattform für neue experimentelle Mess- und theoretische Berechnungsmethoden intermolekularer Wechselwirkungen: Wasser ist so ein Spiegel der Wissenschaft.
 Das weit verbreitete Interesse an Wasser führte zu einer Menge von Kontroversen — selbst heute sind noch viele der komplexen und einzigartigen Eigenschaften von Wasser ungeklärt. Zurzeit sind 63 Anomalien bekannt, die sich auf die Dichte, Thermodynamik, Physik, Materialeigenschaften sowie das Phasendiagramm von Wasser beziehen.2 Besonders hervorzuheben ist das Dichtemaximum der flüssigen Phase, das unter Normaldruck bei 4 °C liegt.3
Obwohl auch andere Flüssigkeiten Anomalien aufweisen, ist die Häufung bei Wasser einzigartig.4 Sie beruht in erster Linie auf der Kombination von Wasserstoffbrücken als den dominierenden intermolekularen Wechselwirkungen und der tetraedrischen Koordinationsstruktur.5


<h2>Tetraedrisch oder nicht?</h2>
Die tetraedrische Koordinationsstruktur wird seit dem ersten Strukturmodell für flüssiges Wasser von Wilhelm Conrad Röntgen im Jahr 1892 immer wieder kontrovers diskutiert.6 In seiner Schrift “Über die Constitution des flüssigen Wassers” beschrieb er ein Zweiphasenmodell und sah Wasser als eine Lösung von “Eismolekülen” in Molekülen “zweiter Art”, wobei die Eismoleküle durch Wärmezufuhr in Moleküle “zweiter Art” mit höherer Dichte übergehen.6
Das für das Verständnis von Wasser unverzichtbare Konzept der Wasserstoffbrücke erwähnt zum ersten Mal ein Aufsatz aus dem Jahr 1920. Er schreibt diese Idee Maurice Huggins zu, von dessen Doktorarbeit allerdings kein Exemplar mehr erhalten ist.7 Wie ein solches Netzwerk von Wasserstoffbrücken in Wasser bei Umgebungsbedingungen aussehen könnte, zeigt Abbildung 1 (S. 1204). Die Orientierung der über Wasserstoffbrücken miteinander verbundenen Moleküle weicht stark von der Lehrbuchgeometrie eines Wasserdimers in Vakuum ab. Gerade diese aus der Quantenmechanik herrührenden kollektiven Effekte und die temperaturbedingte Unordnung sind für die Struktur von Wasser essenziell.
Ein weiterer Meilenstein war Bernals und Fowlers Modell im Jahr 1933, das auf Röntgenbeugungsmessungen von flüssigem Wasser und der Kristallstruktur von normalem Eis beruhte.8 Das Modell geht erstmals von einer tetraedrisch organisierten Struktur aus und kombiniert sie mit “quartz-like water modified by some local packing”. Dabei sind Elemente von Röntgens Modell aufgenommen. Interessanterweise verwendet das Modell den Begriff der Wasserstoffbrücke jedoch nicht.
Entlang dieser Richtung — wenig später als “random tetrahedral network models” bekannt — schlug John Pople schließlich im Jahr 1951 ein Wassermodell ganz ohne Anlehnungen an Eisstrukturen vor.9 Dieses ebenfalls tetraedrische Koordinationsmodell ist heute weitgehend akzeptiert und stützt sich auf Strukturaufklärungsmethoden wie Neutronen- und Röntgenbeugung. Allerdings wird dabei die sphärisch gemittelte zwei- anstatt die direkte dreidimensionale Anordnung der Moleküle zueinander gemessen und ist infolgedessen uneindeutig (Abbildung 2, S. 1204).
Die eigentliche dreidimensionale Struktur von Wasser muss in einem Nachbearbeitungsschritt rekonstruiert werden und ist damit ebenfalls nicht eindeutig.10 Die Nichteindeutigkeit lässt sich mit einer kürzlich vorgeschlagenen Simulationsmethode reduzieren. Diese maximiert die Übereinstimmung mit experimentellen Daten und minimiert gleichzeitig lokal die potenzielle Energie.11
 Interpretationen neuer Experimente, dass Wasser zwei- statt vierfach gebunden sein könnte — wie es die Natur der Wasserstoffbrücke suggeriert —, haben die Debatte zur lokalen Koordinationsstruktur in flüssigem Wasser vor Kurzem neu entfacht.12 Falls flüssiges Wasser nämlich tatsächlich zweifach koordiniert sein sollte, hätte dies gleich mehrere grundlegende Konsequenzen. Insbesondere hätte dies zur Folge, dass Wasser, anstatt tetraedisch gebunden zu sein, vielmehr aus Ketten und Ringen bestünde.


<h2>Aufklärung der Struktur durch Computersimulationen</h2>
In Computersimulationen ist die molekulare Struktur des Wassers inhärenter Bestandteil. Zum Beispiel liefern hochgenaue quantenchemische Studien am Wasserdimer und an kleinen Clustern in der Gasphase Einblicke in den Zusammenhang von Orientierung und Stärke der intermolekularen Wechselwirkung.13 Allerdings ist Wasser mehr als die Summe sämtlicher darin enthaltener Wasserdimere. Das Wasserstoffbrückennetzwerk in flüssigem Wasser basiert auf kooperativen Effekten — die einzelnen Wasserstoffbrückenbindungen verstärken sich durch Elektronenumverteilung gegenseitig und beeinflussen damit die geometrischen und elektronischen Eigenschaften.14 Beispielsweise steigt das molekulare Dipolmoment eines isolierten Wassermoleküls in der Gasphase von 1,85 Debye auf 3,0 Debye in der Flüssigphase bei Umgebungsbedingungen.15 Zur Berechnung der spezifischen Eigenschaften von Wasser sind deswegen Simulationen auf möglichst großen Längenskalen in der kondensierten Phase unumgänglich.
Die numerische Lösung der Newtonschen Bewegungsgleichung mit der Moleküldynamik-Methode (MD) ermöglicht es, nicht nur strukturbezogene, sondern auch dynamische Eigenschaften bei endlicher Temperatur zu berechnen. Durch den direkten Einblick in die Echtzeitdynamik der Atome ist die MD ein virtuelles Mikroskop. Die interatomaren Wechselwirkungen lassen sich entweder klassisch mit empirisch bestimmten Potenzialfunktionen oder alternativ on-the-fly basierend auf quantenmechanischen Elektronenstrukturmethoden berechnen. Dieser parameterfreie, auch Ab-initio-MD (AIMD) genannte Ansatz erlaubt nicht nur, dass chemische Bindungen während der Simulation gebrochen oder neu gebildet werden, sondern ermöglicht zudem Vorhersagen für a priori unbekannte Systeme.16 Der entsprechende Gewinn an Genauigkeit und Übertragbarkeit geht allerdings mit einem relativ großen Rechenaufwand einher. Systemgrößen und Simulationszeiten sind somit limitierende Faktoren.
Einen guten Kompromiss zwischen Effizienz und ausreichender Genauigkeit für qualitativ korrekte Vorhersagen bietet die Dichtefunktionaltheorie (DFT), die deshalb Standard für AIMD-Simulationen ist. Der vor kurzem vorgeschlagene “Car-Parrinello-like Approach to Born-Oppenheimer-MD”17 ermöglicht jedoch AIMD-Simulationen auf viel größeren Längen- und Zeitskalen als der ursprüngliche Car-Parrinello-MD-Ansatz und wird deswegen auch als 2.-Generation-Car-Parrinello-Methode bezeichnet.18
Derartige methodische Entwicklungen und der gleichzeitige Zuwachs an Rechenleistung führten seit der ersten AIMD-Simulation von flüssigem Wasser19 zu großen Fortschritten bei der Aufklärung der Koordinationsstruktur.20 Doch auch bei Computersimulationen ist die Analyse der subtilen lokalen Struktur nicht trivial. Mit AIMD-Simulationen lassen sich beispielsweise dreidimensionale Paarkorrelationsfunktionen berechnen (Abbildung 3), die im zeitlichen Mittel eine tetraedrische Koordinationsstruktur von flüssigem Wasser implizieren. Eine Herausforderung ist es dabei, Ring- und Kettenstrukturen zu identifizieren, wie sie in Interpretationen experimenteller Ergebnisse vorgeschlagen wurden.12
Dazu sind neue theoretische Analysemethoden vonnöten, die darauf abzielen, Wasserstoffbrücken sichtbar zu machen. Typischerweise wird die Struktur von Netzwerken aus Wasserstoffbrücken über geometrische Ad-hoc-Definitionen für Wasserstoffbrücken analysiert. Solche empirischen Ansätze laufen allerdings Gefahr, die eigentlichen, grundlegenden Ursachen und Effekte außen vor zu lassen. Da chemische Bindungen — und damit auch Wasserstoffbrücken — eine Reorganisation der Elektronenverteilung bezüglich einer Ausgangsverteilung im ungebundenen Zustand darstellen, sind Analysemethoden besser geeignet, die sich direkt auf die Elektronendichte und daraus ableitbare energetische Größen beziehen.
Mit der kürzlich entwickelten Erweiterung der Energy Decomposition Analysis of Absolutely Localized Molecular Orbitals”(ALMO EDA) für periodische Systeme, lässt sich die quantenmechanische Interaktionsenergie zwischen schwach gebundenen Molekülen in physikalisch sinnvolle Komponenten zerlegen.21,22 Die ALMO-EDA-Analyse von Wasser zeigte erstmals, dass jedes Wassermolekül zu jedem Zeitpunkt vier und nicht nur zwei Wechselwirkungen mit seinen Nachbarn eingeht.22 Diese Wechselwirkungen sind jedoch asymmetrisch verteilt und bestehen aus einer starken sowie einer schwachen Donor- und Akzeptor-Wechselwirkung (Abbildung 1).
Diese Asymmetrie in der Elektronenstruktur und der intermolekularen Interaktionsenergie ist aber nur auf einer relativ kurzen Zeitskala sichtbar. Im zeitlichen Mittel, das heißt bereits ab einer zeitlichen Auflösung von zirka 500 Femtosekunden, erscheinen deswegen nur noch vier durchschnittlich starke Wasserstoffbrücken. Die Situation ähnelt einem Pendel: Jede Wasserstoffbrücke schwingt mit einer sehr hohen Frequenz zwischen den Extrema einer starken und einer schwachen Akzeptor- oder Donor-Wechselwirkung hin und her. An diesen Endpunkten ist die Verweildauer jeweils viel länger als im Mittelpunkt, der in jeder Schwingung nur kurz durchlaufen wird. Im zeitlichen Mittel misst man dann jedoch die mittlere Position, obwohl die instantane Konfiguration stark asymmetrisch ist.
Geometrische Eigenschaften reichen nicht aus, um die starken und schwachen Bindungen zu unterscheiden, da die thermischen Fluktuationen zu stark überlappenden Verteilungen führen. Aus diesem Grund ist die Analyse elektronischer Eigenschaften unumgänglich. Die kürzlich gemessenen Röntgenabsorptionsspektren (x-ray absorption spectroscopy, XAS) wurden deshalb einer detaillierten Analyse unterzogen (Abbildung 4). Berechnetes und experimentell gemessenes XAS-Spektrum von flüssigem Wasser stimmen qualitativ überein. Die experimentelle Arbeit schrieb die Schulter bei 535 eV zweifach koordinierten Wassermolekülen zu.12 Berechnete XAS-Spektren für Moleküle mit unterschiedlich starken Asymmetrie-Parametern (Abbildungen 4b und 4c) machen deutlich, dass der größte Beitrag bei 535 eV von Molekülen mit stark asymmetrischer Koordinationsstruktur stammt, wohingegen der Bereich ab 537 eV von Molekülen mit symmetrischer Koordinationsstrukur herrührt.22


<h2>Zusammenfassung und Ausblick</h2>
Die lokale Koordinationsstruktur in flüssigem Wasser zu bestimmen, bleibt sowohl für Experimentatoren als auch für Theoretiker ein schwieriges Unterfangen. Methodische Entwicklungen auf beiden Seiten haben jedoch immer wieder zu neuen Erkenntnissen geführt, und es zeigt sich, “dass die Wasserstruktur immer komplizierter wird, je genauer, das heißt mit immer geringerer zeitlicher Auflösung man hinschaut.”4
Auf der theoretischen Seite eröffnen gerade AIMD-Simulationen neue Einblicke, und die Entwicklung ausgefeilter Analysemethoden ermöglicht die Interpretation experimenteller Beobachtungen. Für eine genauere Beschreibung der subtilen schwachen Wechselwirkungen in flüssigem Wasser bedarf es jedoch genauer, aber trotzdem ausreichend effizienter Elektronenstrukturmethoden. Die Schwierigkeit liegt darin, dass beispielsweise der für biologische Anwendungen relevante Temperaturbereich von 0 bis 100 °C für flüssiges Wasser einer Energiedifferenz von nur 0,2 kcal·mol—1 pro Freiheitsgrad entspricht.
Die weitverbreitete DFT-Methode vernachlässigt die für biologische Systeme wichtigen Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Neue Methoden, welche die in der DFT fehlenden Dispersionskräfte korrigieren sollen,23,24 verbessern nicht nur systematisch die Bindungsenergie des isolierten Wasserdimers, sondern auch die Beschreibung der Struktur und der Dynamik von flüssigem Wasser.25 Künftige theoretische Studien werden zudem nicht umhin kommen, Kernquanteneffekte explizit zu berücksichtigen.26 Diese wurden bisher in den meisten Studien über flüssiges Wasser vernachlässigt, doch besonders bei den vergleichsweise leichten Wasserstoffatomen hat die Kernwellenfunktion selbst bei Raumtemperatur einen gewissen Einfluss auf Struktur und Dynamik im Wasser.27


<h2>QUERGELESEN</h2>
Die Koordinationsstruktur von flüssigem Wasser ist immer noch wissenschaftlich umstritten.
Auch mit modernen Computersimulationen ist die Analyse der subtilen lokalen Struktur von flüssigem Wasser nicht trivial. Ergebnisse von Ab-initio-Molekulardynamik-Simulationen legen eine im zeitlichen Mittel tetraedrische Koordinationsstruktur nahe.
Um darüber hinaus Ring- und Kettenstrukturen zu identifizieren, sind neue theoretische Analysemethoden vonnöten, die Wasserstoffbrücken sichtbar machen.


Thomas D. Kühne ist Juniorprofessor für theoretische Chemie an der Universität Mainz. Er promovierte im Jahr 2008 an der ETH Zürich in theoretischer Physik. Sein Arbeitsgebiet umfasst die Entwicklung neuer numerischer Methoden zur Berechnung der Dynamik und Elektronenstruktur von supramolekularen Systemen, sowie deren Anwendung auf Fragen der Chemie, Biophysik und Materialwissenschaften.
<a href="mailto:kuehne@uni-mainz.de">kuehne@uni-mainz.de</a>
Rustam Z. Khaliullin ist ein vom Schweizer Nationalfond geförderter Stipendiat an Universität Mainz. Seine Forschungsinteressen sind die Entwicklung und Implementierung von neuen Elektronenstruktur- und Molekulardynamik-Methoden, sowie deren Anwendung auf fundamentale Prozesse an Grenzflächen und Nanomaterialien. Er promovierte im Jahr 2007 und arbeitete danach als Postdoc bei Michele Parrinello an der ETH Zürich in Lugano und bei Jörg Hutter an der Universität Zürich.
Manuel Dömer ist Postdoktorand und Thomas Spura Doktorand im Arbeitskreis Kühne.



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1 

 
P. Ball, 
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(2008), 
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M. Chaplin, <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.lsbu.ac.uk/water/anmlies.html" target="_blank">www.lsbu.ac.uk/water/anmlies.html</a></ext-link>.
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R. Ludwig, 
D. Paschek, 
<source>Chem. Unserer Zeit 
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