Es klingt wie die einfachste Sache der Welt: Ein Tropfen fällt auf einen Stein. Dort gerät das Wasser in Kontakt mit Oxid-Oberflächen, wie sie in der Natur überall vorkommen. Doch was auf atomarer Skala dabei geschieht, ist in vielerlei Hinsicht bis heute unbekannt – obwohl dieses Wissen für die Umweltchemie sehr wichtig wäre.

Prof. Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien hat in den letzten Jahren neue Untersuchungsmethoden entwickelt, mit denen sie solchen Fragen nun auf den Grund gehen will. Dafür erhielt sie nun einen „ERC Advanced Grant“ – eine der höchstdotierten und prestigeträchtigsten Forschungsförderungen Europas. Besonders bemerkenswert: Es ist für Ulrike Diebold bereits der zweite ERC Advanced Grant, ihren ersten erhielt sie im Jahr 2012. Für die TU Wien ist es der insgesamt 30. ERC-Grant.

Extrem wichtig – aber schwer zu untersuchen

„Was an der Grenzschicht zwischen Wasser und Oxiden passiert, spielt für unzählige Phänomene eine ganz wichtige Rolle“, sagt Ulrike Diebold. „Materialien verwittern, Böden werden gebildet und bauen CO₂ aus der Atmosphäre ab. Im Grundwasser werden von Oxid-Oberflächen giftige Stoffe gebunden. Wolken entstehen, wenn Wasser an mineralischem Staub gefriert – überall dort geht es um die Wechselwirkung von Wasser und Oxid-Oberflächen.“ Auch neue Technologien sollen möglich werden, wenn man diese atomaren Prozesse besser versteht, etwa die Herstellung künstlicher Treibstoffe und anderer wertvoller Chemikalien.

„Das Interesse an diesen Phänomenen ist sehr groß. Es gibt nur einen einzigen Grund, warum man sie nicht schon längst erforscht hat: Es ist extrem schwierig“, erklärt Ulrike Diebold. Wenn man chemische und physikalische Prozesse auf atomarer Skala exakt messen möchte, dann muss man das unter sehr genau kontrollierten Bedingungen machen. Normalerweise werden die Experimente im Ultrahochvakuum durchgeführt. Atome und Moleküle aus der Luft würden das Ergebnis sonst verfälschen und es unmöglich machen, die Vorgänge an der Oxidoberfläche zu verstehen.

Doch leider ist Wasser mit einem Ultrahochvakuum nicht kompatibel: „Bei sehr niedrigem Druck gibt es gar kein flüssiges Wasser – zumindest nicht lange. Es würde sehr rasch verdampfen“, erklärt Ulrike Diebold. „Viele der üblichen Methoden, die sonst in der Oberflächenphysik gute Dienste leisten, können wir hier einfach nicht anwenden.“

Die saubersten Wassertropfen der Welt

Das Problem konnten Diebold und ihr Team allerdings mit einem besonderen Trick lösen: Ein spitzer „Kühlfinger“ aus Metall wird in der Vakuumkammer eingebracht. Hochreiner Wasserdampf strömt hinein und gefriert am Kühlfinger bei ca. -140° C. Dann wird die Metallspitze erwärmt, bis ein hochreiner Wassertropfen entsteht, den man dann für Messungen verwenden kann.

Auch im Bereich der Hochleistungsmikroskopie gelang dem Team rund um Ulrike Diebold eine Reihe wichtiger Erfolge. Durch spezielle Schwingungsdämpfungen erreichte man extrem gute Auflösungen. So kann man Bilder oder sogar Videos von der Bewegung einzelner Atome aufnehmen. „Nur durch diese hochauflösenden Bilder auf atomarer Skala können wir wirklich verstehen, welche physikalischen und chemischen Prozesse hier ablaufen“, sagt Ulrike Diebold. „Immer wieder erleben wir hier aufregende Überraschungen – und die wird es sicher auch im neuen ERC-Projekt geben.“

Ulrike Diebold

Ulrike Diebold studierte an der TU Wien, wo sie 1990 auch promovierte. Danach ging sie in die USA, wo sie zunächst als Postdoc an der Rutgers University (New Jersey) forschte. Dann machte sie an der Tulane University (New Orleans, Louisiana) Karriere, wo sie bis 2009 als Professorin arbeitete. 2010 kehrte sie an die TU Wien zurück, als Professorin für Oberflächenphysik am Institut für Angewandte Physik.

Im Laufe ihrer Karriere wurde Ulrike Diebold bereits mit zahlreichen Preisen ausgezeichnet, dazu zählt auch der Wittgensteinpreis (im Jahr 2013) – die höchste wissenschaftliche Auszeichnung in Österreich. Außerdem wurde ihr unter anderem der Arthur W. Adamson Award der American Chemical Society, die Blaise Pascal Medaille der European Academy of Sciences und der Wissenschaftspreis der Stadt Wien (2019) verliehen. Diebold hält ein Ehrendoktorat der TU Brno, sie ist Fellow der American Physical Society und anderen angesehenen wissenschaftlichen Vereinigungen in den USA, sie ist Mitglied in der Deutschen Akademie der Wissenschaften Leopoldina, der European Academy of Sciences, der Academia Europeae sowie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Kontakt

Prof. Ulrike Diebold
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8–10, 1040 Wien
Telefon: +43 1 58801 13425
E-Mail: ulrike.diebold@tuwien.ac.at

Aussender

Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
Resselgasse 3, 1040 Wien
E-Mail: florian.aigner@tuwien.ac.at