In unserem Körper ist Harnstoff ein Abfallprodukt, das beim Abbau von Aminosäuren entsteht und über die Niere ausgeschieden wird. In der Industrie dagegen ist die Substanz ein begehrter Rohstoff: Harnstoff ist der weltweit bedeutendste Stickstoffdünger und dient außerdem als Grundstoff für die Herstellung von Kunstharzen und Sprengstoff sowie als Treibstoffzusatz zur Reinigung von Autoabgasen. Während die Synthese in unserem Körper mit Hilfe von Enzymen abläuft, sind in der industriellen Herstellung üblicherweise ein hoher Druck sowie Temperaturen oberhalb von 170 Grad Celsius erforderlich, um Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid (CO2) zu Harnstoff (NH2CONH2) reagieren zu lassen.
Reaktionsraum im Inneren von Wassertröpfchen
„Der hohe Energieverbrauch und die harschen Bedingungen dieses Prozesses haben die Suche nach alternativen katalytischen Verfahren für die Harnstoffbildung veranlasst“, erklärt ein Team um Mercede Mohajer Azizbaig von der ETH Zürich in der Schweiz. „Wir haben einen bisher unbekannten Weg gefunden, wie sich Harnstoff spontan unter Umweltbedingungen und ohne zugesetzte Katalysatoren bildet: in kleinen NH3-haltigen Wassertröpfchen, in deren Umgebung sich gasförmiges CO2 befindet.“
Wie die Forschenden feststellten, herrschen an der Grenzfläche solcher Tröpfchen zwischen Wasser und Luft ganz besondere Reaktionsbedingungen. „Die Oberflächenschicht wirkt wie ein mikroskopischer Strömungsreaktor, wobei chemische Gradienten den Zugang zu unkonventionellen Reaktionswegen ermöglichen“, berichtet das Team. So sorgt ein pH-Gefälle zwischen dem Inneren und dem äußeren des Wassertropfens für ausreichend saure Reaktionsbedingungen, damit im Wasser gelöster Ammoniak mit dem CO2 aus der Luft reagieren kann. Gleichzeitig besteht ein Konzentrationsgefälle, das das chemische Gleichgewicht der Reaktion in Richtung des Harnstoffs verschiebt.
Prozesse auf der frühen Erde
Für ihre Versuche nutzten die Chemiker winzige Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern, also einer sehr großen Oberfläche im Verhältnis zum Volumen. In der Natur finden sich solche Mikrotropfen beispielsweise in der Meeresgischt oder feinem Nebel. Mit Hilfe spektroskopischer Aufnahmen wiesen Mohajer Azizbaig und ihre Kollegen nach, dass sich in den Tröpfchen tatsächlich spontan Harnstoff bildet. Ihre experimentellen Beobachtungen untermauerten sie zusätzlich mit theoretischen Berechnungen, die zeigten, dass die Reaktion wirklich ohne externe Energiezufuhr auskommt.
