Ein einfacher Kristall aus Wasser und Methanol reagiert höchst ungewöhnlich auf Temperaturerhöhung und Druck, wie Forscher um Dominic Fortes vom University College London herausfanden. Im Gegensatz zu fast allen anderen Materialien dehnt er sich unter Druck gerichtet aus und zieht sich bei Erwärmung zusammen.

Die Forscher stießen zufällig auf diese Eigenschaften des Kristalls, als sie ihn im Rahmen eines Programms zur Erforschung von eishaltigen Materialien des äußeren Sonnensystems untersuchten. Methanol und Wasser bilden eventuell wichtige Bestandteile von dem, was Kryovulkane auf den Eismonden des Sonnensystems auswerfen.

In dem Kristall verketten sich die Wassermoleküle mittels Wasserstoffbrückenbindungen zu parallelen Fäden. Diese werden – ebenfalls über Wasserstoffbrückenbindungen – von den Methanolmolekülen zusammengehalten, so dass sich eine Schicht ausbildet, die einem Fischnetz ähnelt: Der Kristall besteht dann aus vielen Schichten übereinander gelagerter Netze. Mit Hilfe von Neutronenstreuexperimenten zeigten die Forscher, dass sich der Kristall in dieser Richtung senkrecht zu den Netzen ausdehnt, wenn er von allen Seiten gedrückt wird – bei Erwärmung zieht er sich dagegen in dieser Ausrichtung zusammen. In den beiden anderen Richtungen verhält sich das Material normal.

Mit einem simplen Modell erklären die Autoren dieses Verhalten: Die räumliche Struktur der Bindungen zwischen den Molekülen ähnelt demnach einem faltbaren Weinregal. Wenn dieses gedrückt wird, faltet es sich zusammen, wobei es zwar flach, gleichzeitig aber auch breiter wird. Ihre Arbeit könne die Grundlage für die Synthese technisch nutzbarer Materialien liefern, die bei Druck kontrahieren und bei Erwärmen zusammenziehen, schreiben die Autoren. Solche Werkstoffe ließen sich Kompositen zumischen, um deren Wärmeausdehnung exakt zu steuern. Und vielleicht helfen ihre Ergebnisse dabei, die Eisvulkanen auf fremden Monden besser zu verstehen. (cm)