25/11/2011 - Wasser kann bei -48,33 °C flüssig bleiben

Menéame

Reines Wasser in flüssigem Zustand kann bei Temperaturen unter 0 °C nach einer früheren strukturellen Veränderung, bei der einige Moleküle in Tetraeder angeordnet sind, mit dem Einfrieren beginnen.

Diese zufällig lokalisierten Strukturen bestimmen das Tempo der Eisbildung bei Temperaturen von bis zu -48,33 °C gemäß einer Studie, die in dieser Woche Nature veröffentlicht wird.

Was ist die niedrigste Temperatur, bei der flüssiges Wasser "beständig" werden kann, bevor es fest wird? Eine Gruppe von Wissenschaftlern an der Universität Utah (USA) analysierte mit Computertechniken die Faktoren, die die Bildung von "Superkühlwasser" in Eis kontrollieren, und stellte fest, dass es bis zu -48 °C hält, ohne eingefroren zu werden.

Der Wechsel von flüssigem zu festem Wasser beginnt in einer kleinen Region mit einem Prozess namens Nukleation. An diesem Punkt werden die ersten Kristalle erzeugt, auf denen das Phänomen der Verfestigung der Flüssigkeit beginnt.

Die Verunreinigungen, die das Wasser oft trägt, wirken wie Kerne, die ihre Kristallisation induzieren. Doch in reinem Wasser, wo es keine Teilchen oder Kristalle gibt, die als Kerne wirken, müssen die Temperaturen noch weiter sinken, um eine homogene Eiskernbildung zu erreichen.

"Bei Temperaturen bei -50 °C tritt die Kristallisation sehr schnell auf. Über dieser Temperatur wird der Eisbildungsrhythmus durch die Fähigkeit eingeschränkt, winzige Eissamen zu erzeugen, aus denen das Einfrieren wächst," erklärt SINC Valeria Molenero, Mitautorin der Studie und Chemie der Universität von Utah.

Bislang war es gelungen, diesen supergekühlten Flüssigkeitszustand des reinen Wassers bei Temperaturen in der Nähe der Nukleation zu beobachten, aber der Kristallisationsmechanismus des Eises war nicht entschlüsselt worden. Die Größe und Struktur des kritischen Kerns, in dem der Prozess beginnt, waren nicht bekannt.

"Die Schnelligkeit, mit der das Wasser bei sehr niedrigen Temperaturen den Zustand ändert, wird durch die vorherige Umwandlung der Struktur des flüssigen Wassers in eine kühle, aber immer noch ungeordnete Anordnung bestimmt," erklärt die Forscherin. "Die Eisbildung wird durch die Mobilität von Partikeln bestimmt."

Die Forscherinnen an der Universität Ohio haben diesen Prozess durch Computersimulationen studiert und festgestellt, dass er durch eine Veränderung der Struktur bestimmt wird, bei der die Moleküle in Form von Tetraeder vorherrschen, wo jedes an die anderen vier angebunden ist.

"Das Wasser ist ein anormales Wasser. So nimmt beispielsweise die Dichte bei Temperaturen unter -40 °C ab und erhöht die Wärmekapazität," so Mühler. "Wir haben gezeigt, dass diese seltsamen Eigenschaften aus dem Zwischenprozess der Strukturänderung stammen."

Flüssiges Wasser bei weniger als 0 oC

Die Veränderung des Zustandes im reinen Wasser geschieht nicht immer bei 0 °C, wie wir in der Schule unterrichtet werden. "0 oC ist die Schmelztemperatur. Das Einfrieren geschieht an dieser Stelle, wenn es irgendein Substrat gibt, das die Bildung der ersten Kristalle, auf denen das Eis wachsen wird, unterstützt," erklärt Mühler. In dieser kleinen, aber stabilen Region kommt es zu dem Phänomen der Nukleation, das mit der Phaseänderung beginnt.

Verunreinigungen des Wassers wirken als "Schieber," die die Kristallisation induzieren, aber in reinen Systemen kann die Temperatur deutlich unter 0o sinken (nach diesen jüngsten Ergebnissen bis -48,33 oC).

Wissenschaftler haben eine Veränderung der Zwischenstruktur zwischen flüssigem und festem Wasser beobachtet, die durch die Anordnung der Moleküle in Tetraeder gekennzeichnet ist. "Die Substanz ändert sich physisch, in einer Weise, in der jedes Wassermolekül flexibel an vier andere Moleküle gebunden ist, ähnlich der des Eises, und die Temperatur bestimmt, in der die Flüssigkeit eingefroren wird," so Mühler.

Die Erhöhung des Anteils der vier aufeinander abgestimmten Partikel in der noch flüssigen Masse führt zur Kristallisation. "Der Phasenwechsel wird nicht nur durch die Temperatur, sondern auch durch die strukturelle Umwandlung der Flüssigkeit kontrolliert," sagt die Forscherin.

Flüssigkeits-Computer

Der Kristallisationsprozess beginnt plötzlich, wenn die erforderliche Temperatur erreicht ist, mit einer so hohen Geschwindigkeit, dass seine Beobachtung erschwert wird. Die Forscherinnen haben recht einfache, computergesteuerte Wassermodelle verwendet, auf denen sie supergekühlte Flüssigkeiten simulieren konnten.

 "Die Computer haben uns durch die Simulation eine mikroskopische Vision gegeben, die die Experimente bisher nicht erreichen können," so Mühler.

Diese Ergebnisse ermöglichen es, die Schnelligkeit der Kristallisation des Wassers vorherzusagen, was nützlich sein kann, um vorausgesagte Modelle von Wassergefrorenen Rhythmen und Temperaturen in komplexen Materialien oder unter bestimmten Bedingungen zu entwickeln.

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Lage: Nordamerika

Quelle: Nature: Emily B. Moore und Valeria Mühler. "Strukturelle Transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice."

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