Rätsel gelöst: Forscher entdecken verborgenen Zustand von Wasser
Warum schwimmt Eis? Forschende entdecken den kritischen Punkt von Wasser bei -63 °C und erklären damit die seltsamen Eigenschaften des Elements.
Die Illustration zeigt das Herzstück der Untersuchung: Der rote Strahl symbolisiert den südkoreanischen Röntgenlaser PAL-XFEL. Nur mit dessen Femtosekunden-Blitzen war es möglich, die flüssigen Molekülstrukturen bei -63 °C zu erfassen, ohne dass das Wasser augenblicklich zu Eis gefror.
Foto: POSTECH University, South Korea
Wasser ist die Grundlage unseres Lebens. Doch aus rein physikalischer Sicht ist es ein echter Außenseiter. Es verhält sich völlig anders als fast alle anderen Stoffe auf der Welt. Warum schwimmt Eis oben, obwohl Feststoffe eigentlich eine höhere Dichte haben sollten? Warum ist Wasser bei 4 °C am schwersten? Ein internationales Team unter der Leitung der Universität Stockholm hat nun eine Antwort gefunden. Die Forschenden konnten einen verborgenen Zustand nachweisen, der die Ursache für diese Seltsamkeiten ist.
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Das Geheimnis der Dichteanomalie
Normalerweise schrumpft Materie beim Abkühlen. Die Dichte nimmt zu. Bei Wasser ist das anders. Jeder kennt das Phänomen: Eiswürfel schwimmen im Glas oben. Das liegt an der sogenannten Dichteanomalie. Wasser erreicht seine höchste Dichte bereits bei 4 °C. Kühlt es weiter ab, dehnt es sich wieder aus.
In der Wissenschaft gab es seit Jahrzehnten Theorien, um dieses Verhalten zu erklären. Eine Vermutung: Wasser besitzt bei sehr niedrigen Temperaturen einen „kritischen Punkt“. An diesem Punkt verschwimmen die Grenzen zwischen zwei verschiedenen flüssigen Zuständen. Bisher ließ sich das jedoch nicht beweisen. Wasser gefriert unter normalen Bedingungen viel zu schnell für solche Messungen.
Der kritische Punkt im ewigen Eis
Mithilfe ultrakurzer Impulse eines Röntgenlasers in Südkorea gelang nun der Nachweis. Die Forschenden untersuchten unterkühltes Wasser bei etwa -63 °C und einem Druck von 1000 Atmosphären.
Anders Nilsson, Professor für Chemische Physik an der Universität Stockholm, erklärt das Vorgehen: „Das Besondere war, dass wir unvorstellbar schnell Röntgenaufnahmen machen konnten, bevor das Eis gefror, und beobachten konnten, wie der Flüssig-Flüssig-Übergang verschwindet und ein neuer kritischer Zustand entsteht.“
Ein Hin und Her zwischen zwei Zuständen
Die Ergebnisse zeigen: Wasser ist keine einfache, homogene Flüssigkeit. Es kann in zwei unterschiedlichen Varianten existieren. In diesen Phasen sind die Wassermoleküle jeweils anders miteinander verbunden.
- Phase 1: Eine Flüssigkeit mit niedriger Dichte und lockerer Anordnung.
- Phase 2: Eine Flüssigkeit mit hoher Dichte und engem Zusammenhalt.
Am nun entdeckten kritischen Punkt verschwindet der Unterschied zwischen diesen beiden Phasen. Das Wasser schwankt ununterbrochen zwischen beiden Zuständen hin und her. Es verhält sich so, als könne es sich nicht für eine Form entscheiden.
Diese Instabilität wirkt sich weit über den Gefrierpunkt hinaus aus. Sogar bei Umgebungsbedingungen spüren wir die Folgen. Diese Schwankungen sind der eigentliche Grund für die ungewöhnliche Wärmekapazität und Kompressibilität von Wasser.
Die Eckdaten der Untersuchung im Überblick:
| Parameter | Wert / Zustand |
|---|---|
| Temperatur | ca. -63 °C (unterkühlt) |
| Druck | ca. 1000 Atmosphären |
| Methode | Ultrakurze Röntgenlaser-Impulse |
| Publikation | Fachzeitschrift „Science“ |
Ein Zufallsfund mit Weitblick
Die Dynamik am kritischen Punkt überraschte die Fachleute. Robin Tyburski von der Universität Stockholm beschreibt das System so: „Es sieht fast so aus, als könne man dem kritischen Punkt nicht entkommen, wenn man ihn einmal erreicht hat – fast wie bei einem Schwarzen Loch.“
Interessanterweise diente amorphes Eis als Zugang zu diesem Bereich. Für die beteiligte Postdoktorandin Aigerim Karina ist das eine wichtige Erinnerung daran, welche Entdeckungsmöglichkeiten in gut erforschten Themen wie Wasser stecken. Auch Fivos Perakis, Professor in Stockholm, sieht darin eine tiefere Bedeutung. Er gibt zu bedenken, dass Wasser die einzige überkritische Flüssigkeit unter Bedingungen ist, bei denen Leben existiert.
Das Ende einer langen Debatte
Die im Magazin „Science“ veröffentlichten Ergebnisse beenden eine über hundert Jahre dauernde Diskussion. Schon Wolfgang Röntgen suchte nach dem Ursprung der Wasser-Anomalien. „Forscher, die sich mit der Physik des Wassers beschäftigen, können sich nun auf das Modell einigen, dass Wasser einen kritischen Punkt im unterkühlten Bereich aufweist“, bilanziert Anders Nilsson.
Nun gilt es, die Auswirkungen dieser Erkenntnisse zu untersuchen. Die Entdeckung könnte neue Erklärungen für chemische, biologische und sogar klimabezogene Prozesse liefern. Es bleibt eine spannende Aufgabe für die kommenden Jahre.
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