Reißfestes Wasser

  • 04. November 2016

Zugstabilität von Wasser nach neuen Simulationen höher als erwartet.

Wasser kann über lange Zeit einer beachtlichen Zugbelastung standhalten. Experimente über die Stabilität von Wasser unter Zug­belastung kamen bis dato jedoch zu stark unterschiedlichen Resultaten. Forscher um Christoph Dellago von der Universität Wien entwickelten nun mit Hilfe von Computer­simulationen ein mikroskopisches Modell, das die Stabilität von Wasser abhängig von der angelegten mechanischen Spannung quantitativ vorhersagt. Dabei zeigte sich, dass die Zugstabilität von Wasser höher ist als bisher angenommen.

Abb.: Momentaufnahme einer Simulation von Blasenbildung in Wasser unter Zugspannung. Durch das Wachsen einer Dampfblase (gelb) in Wasser (rot-weiß) geht das System von der flüssigen Phase in Dampf über. (Bild: G. Menzl, U. Wien)

Abb.: Momentaufnahme einer Simulation von Blasenbildung in Wasser unter Zugspannung. Durch das Wachsen einer Dampfblase (gelb) in Wasser (rot-weiß) geht das System von der flüssigen Phase in Dampf über. (Bild: G. Menzl, U. Wien)

Ein Nebeneffekt der Photosynthese von Pflanzen ist die Verdunstung von Wasser über die Blätter. Um den dadurch entstehenden Flüssigkeits­verlust auszugleichen, wird Wasser durch Unterdruck über dünne Kanäle vom Boden nach oben gezogen. Wasser kann unter solcher Zug­belastung, also unter negativem Druck, über lange Zeiten stabil bleiben, da die Anziehung zwischen den Molekülen dem Zug entgegenwirkt. Jedoch ist diese Stabilität unter Spannung immer zeitlich beschränkt: Nach einiger Zeit „unter Zug” geht Wasser von der flüssigen Phase in Dampf über. Im Zuge dieses Übergangs bilden sich mikroskopische Dampfblasen, welche so lange wachsen, bis die Flüssigkeit letztendlich unter der angelegten Spannung „reißt”.

Sowohl die Stabilität von Wasser unter Zugbelastung als auch der Prozess der Blasen­bildung selbst, die Kavitation, sind von entscheidender Bedeutung für biologische Systeme und technische Anwendungen. Beispiels­weise nützen Farne den abrupten Spannungs­abfall durch Kavitation, um ihre Sporen wie ein Katapult weg­zuschleudern. Kollabierende Dampf­blasen können zum Beispiel an Schiffs­schrauben oder Turbinen­schaufeln zu Material­schäden führen.

Aufgrund dieser praktischen Relevanz untersuchen Wissenschaftler die Zugstabilität von Wasser schon seit über 300 Jahren experimentell. Unterschiedliche Mess­methoden liefern jedoch stark voneinander abweichende Resultate für die Zug­stabilität von Wasser – ein starkes Indiz für unbekannte Effekte bei der Messung, meint Christoph Dellago: „Da der Kavitations­prozess explosions­artig schnell abläuft und die entscheidenden Aspekte der Blasen­bildung stattfinden, solange die Blasen sehr klein sind, ist eine Methode nötig, um Blasen­bildung in Wasser mit molekularer Auflösung zu analysieren.”

Dieser Blick auf molekularer Ebene gelang einer internationalen Forschungs­kollaboration um Dellago mit Hilfe von Computer­simulationen. Die aufwändigen Simulationen, die von Georg Menzl und Philipp Geiger am Hoch­leistungs­rechner Vienna Scientific Cluster (VSC) durch­geführt wurden, erlauben eine Analyse der Blasen­bildung mit enorm hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. „In der Computer­simulation können wir viele mögliche Fehler­quellen ausschließen, die potenziell zu Abweichungen in den experimentellen Resultaten führen”, erklären die Wissenschaftler.

Mithilfe dieser Simulationen entwickelten die Physiker der Universität Wien zusammen mit Forscher aus Madrid und Lyon eine mikro­skopische Theorie, die das Auftreten von Kavitation in Wasser abhängig von der angelegten Spannung quantitativ vorhersagt und zeigt, dass Wasser unter Zug stabiler ist als von vielen Experimenten vorhergesagt. „Eine Erkenntnis, die erst durch Computer­simulationen möglich wurde, in denen selbst winzigste Blasen genau beobachtet werden konnten”, so Christoph Dellago.

U. Wien / DE

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