Warum Wasser an Grenzflächen anders ist als im Glas

Wasser an Grenzflächen verhält sich anders als Wasser mitten im Glas, und der Unterschied reicht erstaunlich weit. An einer wasserfreundlichen Oberfläche entsteht eine Zone, aus der gelöste Teilchen verschwinden, in der Größenordnung von 100 Mikrometern. Das Lehrbuch rechnet hier mit wenigen Molekülschichten, also mit 1 bis 2 Nanometern. Gemessen ist damit rund das 10.000- bis 100.000-Fache des erwarteten Werts.

Entdeckt hat das Gerald H. Pollack mit seinem Labor an der University of Washington, wo seit 2003 daran geforscht wird. Der Versuch ist einfach. Man legt ein wasserfreundliches Material in Wasser, in dem winzige Kügelchen mit 1 Mikrometer Durchmesser schweben, und an seiner Oberfläche bildet sich ein Streifen, in dem keine Kügelchen mehr sind (Zheng & Pollack, Physical Review E 68, 031408, 2003). Die beiden Autoren schreiben von "solute-repulsion forces … at distances far greater than conventional theory predicts". Gemeint sind abstoßende Kräfte auf gelöste Stoffe, und zwar über Entfernungen weit jenseits dessen, was die herkömmliche Theorie vorhersagt.

Diese Zone heißt Ausschlusszone, auf Englisch exclusion zone. An ihr hat man einiges gemessen: ein elektrisches Potenzial von bis zu −200 Millivolt, eine zusätzliche Lichtabsorption bei 270 Nanometern und nach fünf Minuten Infrarotbestrahlung eine Verbreiterung um das 1,41-Fache. In den Leitbahnen von Pflanzen kam sie auf bis zu 240 Mikrometer. Und die Energie, die sie aufbaut, kommt nach Pollacks Messungen aus dem Licht.

Was eine Grenzfläche mit Wasser macht

Eine hydrophile Oberfläche ist einfach eine, an der Wasser haftet und nicht abperlt. Glas gehört dazu, viele Kunststoffe und Gele, und auch die Innenwände biologischer Gefäße. Trifft flüssiges Wasser auf so eine Oberfläche, ordnen sich die Wassermoleküle in der Nachbarschaft anders an als in der freien Flüssigkeit.

Das Pollack-Labor beschreibt diesen geordneten Bereich als eigene, flüssigkristallartige Anordnung. Auf der Forschungsseite des Labors schreibt Pollack, gelöste Stoffe würden aus der Nachbarschaft hydrophiler Oberflächen ausgeschlossen, und zwar "to distances up to several hundred micrometers", also bis zu mehreren hundert Mikrometern. Beobachtet hat man das an vielen verschiedenen wasserfreundlichen Oberflächen und mit vielen verschiedenen gelösten Stoffen.

Dahinter steckt erst einmal eine ganz nüchterne Frage: Wie weit reicht der Einfluss einer Oberfläche ins Wasser hinein? Das Lehrbuch veranschlagt 1 bis 2 Nanometer. Gemessen werden 100 Mikrometer und mehr, ein Unterschied um den Faktor 10.000 bis 100.000. Gesehen hat man den Ausschluss seit 2003 an Polymergelen, an Nafion und an Metalloberflächen, seit 2024 auch in den Leitbahnen von 4 Gemüsepflanzen.

Wie man eine unsichtbare Zone sichtbar macht

Wasser ist durchsichtig, und eine Ordnung darin sieht man mit bloßem Auge nicht. Das Labor schaut deshalb auf das, was aus dem Wasser verschwindet.

Dafür rührt man Kunststoffkügelchen von rund 1 Mikrometer Durchmesser ins Wasser. Die sind groß genug, dass man sie unter einem gewöhnlichen Lichtmikroskop sieht, in der Arbeit von 2020 im Mischungsverhältnis 300 zu 1. Taucht man jetzt ein wasserfreundliches Material ein, bleibt an seiner Oberfläche ein Streifen ohne Kügelchen. Wie breit er ist, liest man direkt unter dem Mikroskop ab. 2020 wurden so Agarose, Agar, Stärke, Kollagen und Gelatine geprüft, und in allen 5 Fällen war der Streifen da.

Das Schöne an dem Verfahren: Es ist billig, es braucht keine aufwendige Apparatur, und jeder, der durchs Mikroskop schaut, sieht dasselbe Bild. In der Arbeit von 2024 zu pflanzlichen Leitbahnen zeigt das Labor außerdem, dass es auf die Sorte Kügelchen gar nicht ankommt. Polystyrol-Kügelchen mit unterschiedlichen Oberflächen wurden genauso ausgeschlossen wie Kügelchen aus Siliziumdioxid (Wang & Pollack, Scientific Reports 14, 12071, 2024). Damit fällt eine naheliegende Fehlerquelle weg, nämlich eine Eigenheit eines bestimmten Kunststoffs.

Was an der Ausschlusszone gemessen wurde

Ein leerer Streifen unter dem Mikroskop zeigt erst einmal nur, dass Teilchen fehlen. Spannend wird es bei der Frage, ob sich das Wasser dort auch physikalisch vom Rest unterscheidet. Dafür haben verschiedene Gruppen mehrere unabhängige Messverfahren angesetzt.

Berichtet werden unter anderem ein höherer Brechungsindex, eine höhere Zähigkeit und eine zusätzliche Lichtabsorption bei 270 Nanometern Wellenlänge. Dazu kommt eine elektrische Spannung, und die ist für den Mechanismus der wichtigste Befund. Neben dem stark hydrophilen Kunststoff Nafion zeigte die Zone ein Potenzial von bis zu −200 Millivolt gegenüber der freien Flüssigkeit (Wang & Pollack, Colloid and Interface Science Communications 42, 100397, 2021, mit Verweis auf die zugrunde liegenden Messungen).

Die geordnete Zone an der Oberfläche ist also negativ geladen. Die passende positive Ladung sitzt in Form von Protonen im Wasser jenseits der Zone. Grenzfläche und freies Wasser tragen damit entgegengesetzte Ladung, ein bisschen wie die beiden Pole einer Batterie.

Woher die Energie kommt: Licht

Eine geordnete, geladene Struktur baut sich nicht von allein auf. Ordnung schaffen und Ladung trennen kostet Energie. Woher die kommt, ist genau der Punkt, an dem die Sache richtig interessant wird.

Das Labor sagt: aus eingestrahltem Licht. Schon 2009 zeigten Chai, Yoo und Pollack, dass die Ausschlusszone unter Bestrahlung wächst, abhängig von der Wellenlänge und im Infrarot am stärksten (Journal of Physical Chemistry B 113, 13953–13958, 2009). Infrarot ist die Strahlung mit Wellenlängen oberhalb des sichtbaren Lichts. Jeder warme Körper gibt sie ab, man spürt sie etwa, wenn man die Hand neben eine warme Tasse hält.

Wie groß der Effekt ausfällt, hängt vom Versuchsaufbau ab, deshalb gehört der Aufbau zu jeder Zahl dazu. In einer Messung von 2021 wuchs die Zone nach fünf Minuten mittlerem Infrarot um das 1,41-Fache. Gleichzeitig wuchs der positiv geladene Bereich jenseits der Zone, umgerechnet um etwa 1,39 × 10¹⁶ Hydronium-Ionen (Wang & Pollack 2021). Die Forschungsseite des Labors nennt für eine andere Anordnung, bei einer Wellenlänge von 3,1 Mikrometern, sogar eine Vergrößerung bis zum Dreifachen. Beide Zahlen sind echte Messungen, sie gehören eben zu verschiedenen Aufbauten.

Pollack denkt noch einen Schritt weiter und stellt das als Hypothese vor, im Konjunktiv. Auf der Seite seines Labors heißt es, Sonnenenergie könne Ordnung aufbauen und Ladung trennen, und diese Trennung erzeuge damit effektiv eine Batterie. Der Vorgang ähnele dem ersten Schritt der Photosynthese.

Die Vorhersage, die hätte scheitern können

Eine Hypothese wird stark, wenn aus ihr etwas folgt, das man prüfen kann und das auch schiefgehen darf. Genau das ist hier passiert, und es ist der spannendste Teil der ganzen Geschichte.

Wenn die Ladungstrennung an der Oberfläche eine Strömung antreibt, muss ein engeres Rohr eine schnellere Strömung erzeugen. Der Grund ist einfach. Je enger das Rohr, desto größer das Verhältnis von Wandfläche zu Innenvolumen, und desto höher die Protonenkonzentration im Inneren. Das widerspricht allem, was man von Strömungen kennt, die ein Druck antreibt. Nach dem Gesetz von Hagen und Poiseuille fließt eine Flüssigkeit durch ein engeres Rohr langsamer.

Li und Pollack haben das nachgemessen und dafür den Durchmesser eines Gel-Tunnels verkleinert. Engere Tunnel erzeugten schnelleren Fluss, wie die Autoren schreiben das Gegenteil des druckgetriebenen Falls (Science Advances 6(19): eaba0941, 2020). In derselben Arbeit steckt eine zweite Probe, die genauso hätte danebengehen können. Sie nahmen Röhrchen aus Teflon, einem wasserabweisenden Kunststoff, an dem sich keine Ausschlusszone bildet, und darin floss überhaupt nichts.

Die Geschwindigkeiten sind klein, etwa 10 Mikrometer pro Sekunde. Mit zusätzlichem weißem Licht samt UV-Anteil stiegen sie um bis zu 500 Prozent. Und der vermutete Treibstoff ist überall da, wo die Sonne scheint. Rund die Hälfte der Sonnenenergie, die die Erde erreicht, liegt im Infrarotbereich, so steht es in derselben Arbeit.

Ausschlusszone: vierte Phase des Wassers oder Diffusiophorese?

Den Ausschluss von Teilchen an hydrophilen Oberflächen haben mehrere Arbeitsgruppen gesehen. Diskutiert wird, was ihn verursacht. Pollack beschreibt die geordnete Zone als eigene, vierte Phase des Wassers. Eine Übersichtsarbeit von Elton, Spencer, Riches und Williams hält 2020 eine Erklärung über Diffusiophorese für überzeugender, also eine Wanderung von Teilchen entlang von Konzentrationsgefällen (International Journal of Molecular Sciences 21, 5041, 2020).

Wie Wasser eigentlich aufgebaut ist, gehört ohnehin zu den großen offenen Fragen der Wissenschaft. Wang und Pollack erinnern in der Einleitung ihrer Arbeit von 2021 daran, dass die Zeitschrift Science sie in einer Liste von 125 ungelösten wissenschaftlichen Fragen aufgeführt hat (Wang & Pollack 2021, Einleitung).

Wer tiefer in die weiteren Deutungen einsteigen möchte, findet mehr in Kohärentes Wasser: Was die Forschung wirklich misst und in Strukturiertes Wasser: was am Trend gemessen ist.

Vom Glas Wasser bis in die Zelle

Bei Qi Blanco dreht sich viel um Wasser und um Zellen, und deshalb verfolgen wir diese Forschung mit großem Interesse. Die Innenwände biologischer Gefäße sind ja genau solche wasserfreundlichen Oberflächen. Wie nah das Thema an lebendes Gewebe heranreicht, zeigt die Arbeit von 2024. In den Leitbahnen von Kürbispflanzen fand das Labor eine Ausschlusszone von bis zu 240 Mikrometern, also in einem Gefäß, durch das eine Pflanze ihr Wasser nach oben holt.

Wie sich Wasser im Inneren der Zelle verhält, erzählt Zelluläre Hydration: Was die Biophysik sagt. Und was derselbe Mechanismus im Kreislauf bedeuten könnte, steht in Nicht nur das Herz: Blut und die vierte Phase des Wassers.

Häufige Fragen zu Wasser an Grenzflächen

Gibt es die Ausschlusszone wirklich?

Ja, den Ausschluss von Teilchen neben hydrophilen Oberflächen haben mehrere Gruppen beobachtet und mit verschiedenen Teilchenarten geprüft. Diskutiert wird die Erklärung dafür. Pollack deutet die Zone als eigene Phase des Wassers, Elton und Kollegen erklären sie über Diffusiophorese, also über einen Transport entlang von Konzentrationsgefällen.

Wie groß ist diese Zone?

Das hängt vom Material ab. An Polymergelen liegt sie in der Größenordnung von 100 Mikrometern, in den Leitbahnen von Kürbispflanzen bei 240 ± 56 Mikrometern. In anderen untersuchten Pflanzen lagen die Werte zwischen 133 ± 22 und 142 ± 20 Mikrometern (Wang & Pollack, Scientific Reports 2024).

Kann man aus "Wasser als Batterie" Strom gewinnen?

Das Labor beschreibt die Ladungstrennung als batterieähnlich und arbeitet an technischen Anwendungen, die sich daraus ableiten. Die Größen, die im Labor gemessen werden, sind bisher sehr klein. Wie weit sich daraus einmal nutzbare Energie gewinnen lässt, ist eine offene Forschungsfrage.

Hat das etwas mit meiner Gesundheit zu tun?

Untersucht wurde das bisher an Modellsystemen im Labor, also an Gelen, an Kunststoffröhrchen und an den Leitbahnen von Pflanzen. Es ist physikalische Grundlagenforschung dazu, wie sich Wasser an Oberflächen ordnet und woher die Energie dafür kommt.

Kernaussagen auf einen Blick

• An wasserfreundlichen Oberflächen bleiben gelöste Teilchen aus einer Zone in der Größenordnung von 100 Mikrometern draußen, einem Vielfachen dessen, was die herkömmliche Theorie erwarten lässt (Zheng & Pollack 2003).
• Wasser in dieser Zone unterscheidet sich messbar von freiem Wasser: höherer Brechungsindex, höhere Zähigkeit, Lichtabsorption bei 270 Nanometern, elektrisches Potenzial bis −200 Millivolt gegenüber der Umgebung.
• Die Energie für ihren Aufbau kommt nach den Messungen aus eingestrahltem Licht, am wirksamsten aus dem Infrarotbereich (Chai, Yoo & Pollack 2009).
• Wie stark das Licht wirkt, hängt vom Aufbau ab: 1,41-fache Vergrößerung nach fünf Minuten mittlerem Infrarot in einer Messung von 2021, bis zum Dreifachen bei 3,1 Mikrometern in einer anderen Anordnung.
• Eine Vorhersage, die hätte scheitern können, hat gehalten: Engere Röhren erzeugen schnelleren Fluss, das Gegenteil des druckgetriebenen Falls. In Röhrchen ohne Ausschlusszone floss gar nichts (Li & Pollack 2020).
• Zur Erklärung gibt es zwei Vorschläge: eine eigene, vierte Phase des Wassers oder Diffusiophorese (Elton et al. 2020). Den Ausschluss selbst haben mehrere Gruppen beobachtet.

Quellen und weiterführende Literatur

Alle Belege sind an der jeweiligen Stelle im Text genannt. Vollständige Angaben:

• Zheng, J. M., Pollack, G. H.: Long-range forces extending from polymer-gel surfaces. Physical Review E 68, 031408 (2003). DOI 10.1103/PhysRevE.68.031408.
• Chai, B., Yoo, H., Pollack, G. H.: Effect of radiant energy on near-surface water. Journal of Physical Chemistry B 113, 13953–13958 (2009). DOI 10.1021/jp908163w.
• Li, Z., Pollack, G. H.: Surface-induced flow: A natural microscopic engine using infrared energy as fuel. Science Advances 6(19): eaba0941 (2020). DOI 10.1126/sciadv.aba0941.
• Wang, A., Pollack, G. H.: Effect of infrared radiation on interfacial water at hydrophilic surfaces. Colloid and Interface Science Communications 42, 100397 (2021). DOI 10.1016/j.colcom.2021.100397.
• Wang, A., Pollack, G. H.: Exclusion-zone water inside and outside of plant xylem vessels. Scientific Reports 14, 12071 (2024). DOI 10.1038/s41598-024-62983-3.
• Elton, D. C., Spencer, P. D., Riches, J. D., Williams, E. D.: Exclusion Zone Phenomena in Water – A Critical Review of Experimental Findings and Theories. International Journal of Molecular Sciences 21, 5041 (2020). DOI 10.3390/ijms21145041.
• Research Themes, Pollack Laboratory, University of Washington (abgerufen am 7. September 2026).
• Pollack, G. H.: The Fourth Phase of Water: Beyond Solid, Liquid, and Vapor. Ebner and Sons, Seattle (2013).