News: Hochdichtes Wasser entdeckt
Wasser, das Elixier des Lebens, ist eine vergleichsweise einfach aufgebaute chemische Verbindung, die dennoch manches Geheimnis birgt. So scheint der Schmelzpunkt von Wasser längst nicht so gut definiert zu sein, wie bisher angenommen.
© (Ausschnitt)
Trotz seiner einfachen chemischen Formel ist die genaue Struktur von Wasser nach wie vor ungeklärt. Auch weist Wasser eine Reihe nicht-normaler beziehungsweise schwer erklärbarer Eigenschaften auf. So hat es seine höchste Dichte bei 4 Grad Celsius. Gefriert es also zu Eis, verringert sich seine Dichte, es dehnt sich aus und lässt Rohrleitungen platzen oder Glasflaschen zerbersten. Wissenschaftler gehen deshalb mittlerweile davon aus, dass es zwei Formen von Wasser gibt – hochdichtes und niedrigdichtes Wasser. In normalem Wasser ordnen sich die Moleküle ständig um und bilden dabei jeweils kleine Bereiche dieser beiden Wasserformen.
Über Experimente an Material-Grenzflächen haben Stuttgarter Forscher um Simon Engemann nun versucht, den rätselhaften Eigenschaften von Eis und Wasser auf die Spur zu kommen. Um die Experimente vorbereiten und durchführen zu können, arbeiten die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Metallforschung in einem begehbaren Kühlraum bei minus 20 Grad Celsius. Sie verwenden perfekte, an der ETH Zürich aus hochreinem Wasser gezüchtete Eis-Einkristalle und präparieren damit Grenzflächen zwischen Eis und Siliziumdioxid. Siliziumdioxid ist ein Hauptbestandteil der Erdkruste und dient als Modell für Eis-Mineral-Grenzflächen in der Natur.
Die eigentlichen Experimente führten die Forscher jedoch an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble durch. Für die Untersuchung der Grenzflächen haben sie eigens eine neue Röntgenbeugungsmethode entwickelt. Sie basiert auf den besonderen Eigenschaften von hochenergetischen Röntgenstrahlen, wie sie nur von Synchrotronstrahlungsquellen produziert werden. Dabei kommen auch neuartige Brechungslinsen zum Einsatz, mit denen sich die Röntgenstrahlen auf wenige Mikrometer bündeln lassen.
Mit Hilfe dieser Röntgenstrahlen haben Engemann und sein Team beobachtet, dass Eis an der Grenzfläche zu Siliziumdioxid schon bei minus 17 Grad Celsius zu schmelzen beginnt, also weit unterhalb des eigentlichen Gefrierpunktes. Bei der genauen Analyse der nur wenige Nanometer dünnen Schicht aus Wasser stellten die Forscher fest, dass das Nass mit einer Dichte von etwa 1,2 Gramm pro Kubikzentimeter 20 Prozent kompakter ist als normales Wasser.
Damit scheint nun wirklich zum ersten Mal hochdichtes Wasser gefunden worden zu sein. Wegen der erhöhten Dichte hat dieses Wasser auch eine andere Struktur, doch diese lässt sich offenbar erst in weiteren Experimenten klären. Auf Grund der anderen Struktur könnten sich auch alle anderen Eigenschaften des hochdichten von normalem Wasser unterscheiden. So würde zum Beispiel eine niedrigere Viskosität – wegen der geringeren Reibung – die Bewegung von Gletschern fördern. Auch andere Phänomene lassen sich vielleicht mit den unterschiedlichen Wasserdichten erklären: etwa die Stabilität von Permafrostböden, die Vereisung von Flugzeugtragflächen oder die Bewegung von Fahrzeugen auf gefrorener Fahrbahn.
Auch für chemische Eigenschaften könnte die Entdeckung der Stuttgarter Wissenschaftler bedeutsam werden, beispielsweise wenn es sich um die Löslichkeit von Verunreinigungen wie zum Beispiel Salze geht. Ist die Löslichkeit für solche Stoffe hoch, könnten sich diese in der flüssigen Dünnschicht anreichern und Schmelzprozesse noch verstärken. Auch stellt sich die Frage, bei welchen Materialien das Grenzflächenschmelzen von Eis überhaupt auftritt: Weitere Tests könnten also auch zeigen, ob man zum Beispiel Tragflächen durch spezielle Beschichtungen unempfindlicher gegen Vereisung machen könnte.
Über Experimente an Material-Grenzflächen haben Stuttgarter Forscher um Simon Engemann nun versucht, den rätselhaften Eigenschaften von Eis und Wasser auf die Spur zu kommen. Um die Experimente vorbereiten und durchführen zu können, arbeiten die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Metallforschung in einem begehbaren Kühlraum bei minus 20 Grad Celsius. Sie verwenden perfekte, an der ETH Zürich aus hochreinem Wasser gezüchtete Eis-Einkristalle und präparieren damit Grenzflächen zwischen Eis und Siliziumdioxid. Siliziumdioxid ist ein Hauptbestandteil der Erdkruste und dient als Modell für Eis-Mineral-Grenzflächen in der Natur.
Die eigentlichen Experimente führten die Forscher jedoch an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble durch. Für die Untersuchung der Grenzflächen haben sie eigens eine neue Röntgenbeugungsmethode entwickelt. Sie basiert auf den besonderen Eigenschaften von hochenergetischen Röntgenstrahlen, wie sie nur von Synchrotronstrahlungsquellen produziert werden. Dabei kommen auch neuartige Brechungslinsen zum Einsatz, mit denen sich die Röntgenstrahlen auf wenige Mikrometer bündeln lassen.
Mit Hilfe dieser Röntgenstrahlen haben Engemann und sein Team beobachtet, dass Eis an der Grenzfläche zu Siliziumdioxid schon bei minus 17 Grad Celsius zu schmelzen beginnt, also weit unterhalb des eigentlichen Gefrierpunktes. Bei der genauen Analyse der nur wenige Nanometer dünnen Schicht aus Wasser stellten die Forscher fest, dass das Nass mit einer Dichte von etwa 1,2 Gramm pro Kubikzentimeter 20 Prozent kompakter ist als normales Wasser.
Damit scheint nun wirklich zum ersten Mal hochdichtes Wasser gefunden worden zu sein. Wegen der erhöhten Dichte hat dieses Wasser auch eine andere Struktur, doch diese lässt sich offenbar erst in weiteren Experimenten klären. Auf Grund der anderen Struktur könnten sich auch alle anderen Eigenschaften des hochdichten von normalem Wasser unterscheiden. So würde zum Beispiel eine niedrigere Viskosität – wegen der geringeren Reibung – die Bewegung von Gletschern fördern. Auch andere Phänomene lassen sich vielleicht mit den unterschiedlichen Wasserdichten erklären: etwa die Stabilität von Permafrostböden, die Vereisung von Flugzeugtragflächen oder die Bewegung von Fahrzeugen auf gefrorener Fahrbahn.
Auch für chemische Eigenschaften könnte die Entdeckung der Stuttgarter Wissenschaftler bedeutsam werden, beispielsweise wenn es sich um die Löslichkeit von Verunreinigungen wie zum Beispiel Salze geht. Ist die Löslichkeit für solche Stoffe hoch, könnten sich diese in der flüssigen Dünnschicht anreichern und Schmelzprozesse noch verstärken. Auch stellt sich die Frage, bei welchen Materialien das Grenzflächenschmelzen von Eis überhaupt auftritt: Weitere Tests könnten also auch zeigen, ob man zum Beispiel Tragflächen durch spezielle Beschichtungen unempfindlicher gegen Vereisung machen könnte.
© Max-Planck-Gesellschaft
Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ist eine vorwiegend von Bund und Ländern finanzierte Einrichtung der Grundlagenforschung. Sie betreibt rund achtzig Max-Planck-Institute.
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