Magische Zahlen und Clathratstrukturen bei Mikro-Solvatationsclustern einfacher Kationen in der Gasphase

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Wäßrige Lösungen einfacher Kationen (Natrium, Kalium) sind u. a. für die Biochemie sehr wichtig, eine voll befriedigende theoretische Simulation ist jedoch noch immer nicht möglich. Daher soll hier ein vereinfachtes System, isolierte Cluster eines dieser Kationen mit wenigen Wassermolekülen in der Gasphase, untersucht werden. Experimentelle Befunde deuten auf eine magische Zahl bei 20 Wassermolekülen hin, was üblicherweise ad hoc durch die Ausbildung eines Dodekaeders erklärt wird (also einer clathratähnlichen Käfig-Einschlußverbindung mit dem Kation im Zentrum). Diese Erklärung ist zur Zeit eine reine Hypothese ohne ausreichendes theoretisches Fundament; außerdem kann sie nicht alle experimentellen Befunde erklären, wie etwa das Fehlen der magischen Zahl 20 bei Natrium. Daher sollen hier mit einem breiten Arsenal theoretischer Methoden (von globalen Strukturoptimierungen bis zu molekulardynamischen Simulationen, von empirischen Potentialen bis zu ab initioRechnungen der Quantenchemie) und in direkter Kooperation mit dem Experiment derartige Mikro-Solvatationscluster der AlkaliKationen untersucht werden. Ziel ist dabei nicht nur eine Untermauerung oder Modifikation der Clathrat-Hypothese, sondern auch ein theoretisch fundiertes, aber gleichzeitig qualitativ einsichtiges Verständnis der wesentlichen Struktur- und Dynamikprinzipien. Wir hoffen, daß von einem derart verfeinerten Bild der Mikro-Solvatationscluster neue Impulse in Richtung eines verbesserten Verständnisses der Solvatation von Ionen in wäßriger Phase ausgeht.