Hydratationsschicht

Die Hydratationsschicht bezeichnet die Ansammlung von Wassermolekülen um ein gelöstes Teilchen, eine Oberfläche oder eine biomolekulare Struktur. Sie entsteht durch Wasserstoffbrückenbindungen, Dipol-Ion-Wechselwirkungen und hydrophobe Effekte, die Wassermoleküle in der Nähe des Soluts anziehen und orientieren. Die Schicht lässt sich in eine primäre Hydrationshülle unmittelbar am Solut unterscheiden und in weiter entfernte Schichten, die weniger stark mit dem Solut wechselwirken, aber mit der Bulk-Wasserlösung in dynamischem Austausch stehen.

Die Struktur und Dynamik der Hydratationsschicht hängen stark vom Solut ab. Bei Ionen ist die Nähe dominiert durch Ion-Dipol-Wechselwirkungen und koordinationsbezogene Bindung, wodurch oft eine definierte Anzahl benachbarter Wassermoleküle entsteht. Biologische Moleküle wie Proteine, Nukleinsäuren oder Membranen bilden durch ihre polaren Gruppen orientierte Wasserhüllen, wodurch Stabilität, Faltung und Reaktionsräume beeinflusst werden. Die Austauschzeit der Wassermoleküle mit dem benachbarten Bulk-Wasser (Residency time) reicht von Picosekunden bis Nanosekunden, je nach System.

Die Hydratationsschicht beeinflusst Reaktivität, Diffusion, Löslichkeit und kolloidale Stabilität. In der Biologie trägt sie zur richtigen Faltung von Proteinen, zur Bindung von Liganden und zur Membraninteraktion bei. In der Analytik und Materialwissenschaft ist sie entscheidend für Oberflächenreaktionen und die Benetzbarkeit von Materialien. Sie wird experimentell durch Infrarot- und NMR-Spektroskopie, Neutronenstreuung, Raman-Spektroskopie sowie durch Computersimulationen wie Molekulardynamik untersucht.