Ultraschnelle Dynamik von Strukturen und Schwingungen

Abstract

Aufgrund der begrenzten Bindungsstärke von Wasserstoffbrücken unterliegen wässrige Systeme ultraschnellen strukturellen Fluktuationen im Zeitbereich zwischen 10 –14 und 10 –11 s. Schwingungsanregungen von Wasserstoffbrücken zerfallen ebenfalls in diesem Zeitbereich. Die mehrdimensionale Ultrakurzzeit‐Infrarotspektroskopie erlaubt eine zeitaufgelöste Beobachtung dieser elementaren Dynamik in Wasser, hydratisierten DNA‐Oligomeren und Phospholipiden. Neben Kopplungen zwischen Schwingungsfreiheitsgraden des hydratisierten Systems lässt sich die Wasserdynamik an Grenzflächen und im Volumen direkt aufzeichnen. Strukturelle Fluktuationen im Volumen von H 2 O treten im Zeitbereich zwischen 5×10 –14 und 10 –12 s auf, Wasserstoffbrücken werden im Takt von 10 –12 s gebrochen und neu geformt. An den Grenzflächen zu DNA und Phospholipiden existieren Hydratisierungsgeometrien, die bei geringen Fluktuationen länger als 10 –11 s aufrecht erhalten werden. Ein langlebiges ‘Gedächtnis’ des Wassers existiert jedoch nicht. Aqueous systems display ultrafast structural fluctuations in the time domain between 10 –14 and 10 –11 s, due to the limited strength of hydrogen bonds. Multidimensional ultrafast infrared spectroscopy allows for a time‐resolved observation of such elementary dynamics in bulk water, DNA oligomers and phospholipids. Both the couplings of different vibrational degrees of the hydrated system and bulk water dynamics can be mapped directly. Structural fluctuations of bulk water occur in the time range between 5×10 –14 and 10 –12 s, the breaking and reformation of hydrogen bonds on a time scale of 10 –12 s. At the interface between the water hydration shell and DNA or phospholipids, specific hydration geometries exist for periods of some 10 –11 s with minor fluctuations of their structure. However, a long‐lived 'memory of water' is absent.