Strukturiertes Wasser: was am Trend gemessen ist

Beim Trend um strukturiertes Wasser ist eines wirklich gemessen: Wasser hat eine Struktur, und man kann ihr sogar bei der Arbeit zusehen. Seine Moleküle halten sich über Wasserstoffbrücken aneinander fest, jedes einzelne mit bis zu 4 Bindungen zu seinen Nachbarn, und dieses Netz lässt sich mit Laserpulsen im Femtosekundenbereich beobachten. Wie lange hält so eine Ordnung? Eine Arbeitsgruppe am Massachusetts Institute of Technology bestimmte 2003 eine Schwingungsdauer von 170 Femtosekunden und einen Zerfall der Ordnung über rund 1,2 Pikosekunden, also etwa eine billionstel Sekunde. Dazu kommt die Ausschlusszone, eine Schicht direkt an wasserliebenden Oberflächen, die mehrere hundert Mikrometer breit werden kann und die mehrere Arbeitsgruppen unabhängig voneinander gezeigt haben.

Was strukturiertes Wasser wörtlich bedeutet

Strukturiertes Wasser ist ein Sammelbegriff für die Vorstellung, dass Wasser über seine chemische Formel hinaus eine räumliche Ordnung besitzt, die sich gezielt verändern lässt. Man begegnet ihm unter mehreren Namen: belebtes Wasser, hexagonales Wasser, informiertes Wasser, kohärentes Wasser. In der Physik heißt das Ganze Wasserstoffbrücken-Netzwerk.

Der Kern davon ist gut verstanden. Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen und kann bis zu 4 Wasserstoffbrücken zu seinen Nachbarn ausbilden. Aus diesen Brücken entsteht ein Netz, und genau dieses Netz macht Wasser so eigen. Wasser siedet bei 100 Grad Celsius, während das chemisch verwandte und ähnlich schwere Schwefelwasserstoff schon bei etwa minus 60 Grad gasförmig ist. Am dichtesten ist Wasser bei 4 Grad Celsius, deshalb schwimmt Eis oben und ein See friert von der Oberfläche her zu.

Spannend wird es bei der Frage, wie lange so eine Ordnung hält. Das Netz in deinem Glas Wasser steht ja keinen Augenblick still, und Physiker schauen ihm seit über 20 Jahren mit immer schnelleren Methoden dabei zu.

Wie lange eine Ordnung im Wasser wirklich hält

Eine Wasserstoffbrücke ist eine schwache Anziehung zwischen dem Wasserstoffatom des einen und dem Sauerstoffatom des anderen Moleküls. Schwach heißt hier vor allem kurzlebig, und genau diese Lebensdauer ist die Kernzahl des ganzen Themas.

Christopher Fecko und Kollegen am Massachusetts Institute of Technology haben das Netz mit Femtosekunden-Infrarotspektroskopie beobachtet und ihr Ergebnis 2003 in Science so zusammengefasst:

„At short times, vibrational dephasing reflects an underdamped oscillation of the hydrogen bond with a period of 170 femtoseconds. At longer times, vibrational correlations decay on a 1.2-picosecond time scale because of collective structural reorganizations."

Sinngemäß: Auf kurzen Zeitskalen zeigt sich eine gedämpfte Schwingung der Wasserstoffbrücke mit einer Periode von 170 Femtosekunden. Auf längeren Zeitskalen zerfallen die Zusammenhänge der Schwingungen innerhalb von 1,2 Pikosekunden, weil sich die Struktur gemeinsam umbaut.

— Fecko u. a.: Ultrafast hydrogen-bond dynamics in the infrared spectroscopy of water. Science 301(5640), Seiten 1698–1702 (2003)

Eine Pikosekunde ist der billionste Teil einer Sekunde. Das Netz aus Wasserstoffbrücken ordnet sich also rund eine Billion Mal pro Sekunde neu. Ein Wimpernschlag dauert rund 100 Millisekunden und damit etwa 80 Milliarden Mal so lange wie diese 1,2 Pikosekunden.

Neuere Messungen kommen mit ganz anderer Technik auf dieselbe Größenordnung. Eine Arbeitsgruppe am SLAC National Accelerator Laboratory hat 2021 die Bewegung der Moleküle mit ultraschneller Elektronenstreuung verfolgt. Das Netz reagierte innerhalb von etwa 80 Femtosekunden auf eine Anregung und hatte sich nach rund einer Pikosekunde wieder ausgeglichen (Yang u. a., Nature 596, 2021).

Die Zeitskalen im Überblick:

Vorgang im flüssigen Wasser	Zeitskala
Schwingung einer einzelnen Wasserstoffbrücke	170 Femtosekunden
Reaktion des Netzwerks auf eine Anregung	rund 80 Femtosekunden
Zerfall der Ordnung durch Umbau des Netzwerks	etwa 1,2 Pikosekunden
Ausgleich nach einer Anregung	rund 1 Pikosekunde
Zum Vergleich: 1 Sekunde	1 Billion Pikosekunden

Woher der Trend kommt und wie alt er wirklich ist

Wasserbelebung ist der deutschsprachige Sammelbegriff für Verfahren, die Wasser durch Verwirbelung, Magnetfelder oder den Kontakt mit einem Trägermedium in einen höherwertigen Zustand bringen sollen. Die Idee ist älter, als viele denken, im deutschsprachigen Raum reicht sie bis in die 1980er-Jahre zurück.

Neu ist eher, wo sie heute auftaucht. Früher ging es vor allem um Einbaugeräte für die Hausinstallation, heute geht es um tragbare Produkte, Trinkflaschen und Wellness-Zubehör. Und besprochen wird das Thema längst in sozialen Netzwerken statt in Prospekten.

Bei uns fragen Interessenten regelmäßig nach strukturiertem Wasser, und die meisten wollen ganz einfach wissen, was davon gemessen ist.

Die Ausschlusszone an wasserliebenden Oberflächen

Die Ausschlusszone ist eine Wasserschicht direkt an wasserliebenden Oberflächen, aus der sich gelöste Teilchen und Kunststoffkügelchen messbar zurückziehen. In der Fachliteratur trägt sie das Kürzel EZ, für exclusion zone, und unter dem Mikroskop kann man sie mit eigenen Augen sehen.

Mehrere Arbeitsgruppen haben sie unabhängig voneinander beobachtet. Daniel Elton und Kollegen haben die Befunde 2020 im International Journal of Molecular Sciences in einer Übersichtsarbeit zusammengetragen und halten gleich im Abstract fest, dass die Beobachtung von mehreren Gruppen bestätigt wurde. Zur Breite der Zone schreiben sie:

„The width of the EZ depends on the properties of the surface and ambient conditions and may reach hundreds of microns."

Sinngemäß: Wie breit die EZ ist, hängt von den Eigenschaften der Oberfläche und den Umgebungsbedingungen ab, und sie kann Hunderte von Mikrometern erreichen.

— Elton, Spencer, Riches, Williams: Exclusion Zone Phenomena in Water — A Critical Review of Experimental Findings and Theories. Int. J. Mol. Sci. 21(14), Artikel 5041 (2020)

Mehrere hundert Mikrometer sind für einen Oberflächeneffekt eine Menge, das entspricht ungefähr ein paar aufeinandergelegten Blättern Papier.

Bei der Erklärung gehen die Forschenden verschiedene Wege. Gerald Pollack von der University of Washington deutet die Zone als vierte Phase des Wassers mit hexagonaler Ordnung. Die Übersichtsarbeit von Elton und Kollegen hält eine Erklärung über Diffusiophorese für wahrscheinlicher, also über die Wanderung von Teilchen entlang von Konzentrationsgefällen. Als ein Argument nennt sie den zeitlichen Verlauf. Die Zone wächst nach einem Potenzgesetz mit einem Exponenten von 0,6, sehr nahe am Wert 0,5, den man für einen Vorgang erwartet, der von Diffusion angetrieben wird.

Das Handy neben dem Bett

Vom Glas Wasser auf dem Nachttisch ist es nicht weit zum Handy daneben. Auch im Standby ist so ein Smartphone hellwach: Es hält die Verbindung zum Mobilfunknetz und zum WLAN, meldet sich in Abständen bei der Funkzelle und nimmt Nachrichten entgegen, auch nachts und in Armweite vom Kopf.

In den meisten Haushalten ist das ganz normal, weil das Handy nachts am Ladekabel hängt. Bitkom Research hat dazu Anfang 2024 bundesweit 1.007 Personen ab 16 Jahren befragt, darunter 769 Smartphone-Nutzende, und das Ergebnis am 10. Mai 2024 veröffentlicht: „Am liebsten nachts (77 Prozent)." Über drei Viertel laden also nachts, und das Gerät bleibt dabei aktiv. Was das für die Erholung in der Nacht bedeutet, ist eine eigene Frage mit eigener Datenlage.

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Häufige Fragen zu strukturiertem Wasser

Hat Wasser überhaupt eine Struktur?

Ja. Wassermoleküle bilden ein Netz aus Wasserstoffbrücken, und dieses Netz erklärt die meisten besonderen Eigenschaften von Wasser, vom Siedepunkt bei 100 Grad Celsius bis zum Eis, das oben schwimmt.

Wie lange hält eine solche Struktur an?

Etwa 1,2 Pikosekunden, also rund eine billionstel Sekunde. So haben es Fecko und Kollegen 2003 bestimmt, und die einzelne Wasserstoffbrücke schwingt dabei mit einer Periode von 170 Femtosekunden. Eine Messung am SLAC kam 2021 mit ganz anderer Technik auf dieselbe Größenordnung.

Ist die Ausschlusszone strukturiertes Wasser?

Darüber diskutieren Forschende bis heute. Beobachtet ist die Zone im Labor an wasserliebenden Oberflächen, als Schicht, aus der sich Teilchen zurückziehen, unter dem Mikroskop sichtbar und bis zu mehreren hundert Mikrometern breit. Gerald Pollack deutet sie als vierte Phase des Wassers mit hexagonaler Ordnung. Die Übersichtsarbeit von Elton und Kollegen (2020) hält eine Erklärung über Diffusiophorese für wahrscheinlicher.

Was ist der Unterschied zwischen belebtem, hexagonalem und strukturiertem Wasser?

Alle diese Namen stehen für dieselbe Grundidee, dass Wasser eine räumliche Ordnung hat, die sich gezielt verändern lässt. Belebtes, hexagonales, informiertes und kohärentes Wasser sind Spielarten des Sammelbegriffs strukturiertes Wasser. In der Physik heißt der Gegenstand Wasserstoffbrücken-Netzwerk.

Seit wann gibt es den Trend zu strukturiertem Wasser?

Im deutschsprachigen Raum reicht die Idee der Wasserbelebung bis in die 1980er-Jahre zurück. Damals ging es vor allem um Einbaugeräte für die Hausinstallation, heute um tragbare Produkte, Trinkflaschen und Wellness-Zubehör, und besprochen wird das Thema vor allem in sozialen Netzwerken.

Kernaussagen auf einen Blick

• Strukturiertes Wasser ist ein Sammelbegriff, zu dem auch belebtes, hexagonales, informiertes und kohärentes Wasser gehören. Physikalisch geht es um das Wasserstoffbrücken-Netzwerk, und das ist gut verstanden.
• Die Ordnung im Netz hält rund 1,2 Pikosekunden bis zum Zerfall der Korrelationen, die einzelne Brücke schwingt mit einer Periode von 170 Femtosekunden (Messung von Fecko und Kollegen am MIT, 2003).
• Eine Messung am SLAC kam 2021 mit anderer Technik auf dieselbe Größenordnung: Reaktion des Netzwerks in rund 80 Femtosekunden, Ausgleich über etwa eine Pikosekunde.
• Die Ausschlusszone an wasserliebenden Oberflächen haben mehrere Arbeitsgruppen beobachtet, und sie kann mehrere hundert Mikrometer erreichen. Gerald Pollack deutet sie als vierte Phase des Wassers, die Übersichtsarbeit von Elton und Kollegen (2020) erklärt sie über Diffusiophorese.
• Die Idee der Wasserbelebung reicht bis in die 1980er-Jahre zurück und findet sich heute in tragbaren Produkten, Trinkflaschen und sozialen Netzwerken.
• Über drei Viertel laden ihr Smartphone am liebsten nachts, laut Bitkom 77 Prozent (2024).

Quellen und weiterführende Literatur

• Christopher J. Fecko, Joel D. Eaves, Joseph J. Loparo, Andrei Tokmakoff, Phillip L. Geissler: Ultrafast hydrogen-bond dynamics in the infrared spectroscopy of water. Science 301(5640), Seiten 1698–1702, 19. September 2003. DOI 10.1126/science.1087251. Nachweis bei PubMed
• Jie Yang u. a.: Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596(7873), Seiten 531–535, 25. August 2021. DOI 10.1038/s41586-021-03793-9. Nachweis bei PubMed
• Daniel C. Elton, Peter D. Spencer, James D. Riches, Elizabeth D. Williams: Exclusion Zone Phenomena in Water — A Critical Review of Experimental Findings and Theories. International Journal of Molecular Sciences 21(14), Artikel 5041, 17. Juli 2020. DOI 10.3390/ijms21145041. Volltext bei PubMed Central
• Bitkom e. V.: Drei Viertel laden ihr Smartphone in der Nacht. Befragung von 1.007 Personen ab 16 Jahren, davon 769 Smartphone-Nutzende, Bitkom Research, 10. Mai 2024. Presseinformation