Eiskalt und doch Wasser

  • 19. June 2014

Extrem unterkühltes Wasser erstmals mit Röntgenlaser analysiert.

Mit dem weltstärksten Röntgenlaser hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von DESY-Wissenschaftlern erstmals die innere Struktur von Wasser erkundet, das trotz einer Kühlung auf minus 46 Grad Celsius noch flüssig ist. Die innere Ordnung von sogenanntem unterkühlten Wasser nimmt demnach mit fallender Temperatur kontinuierlich zu, wie das Team um Forschungsleiter Anders Nilsson vom US-Beschleunigerzentrum SLAC berichtet. Die Beobachtungen liefern einen ersten Einblick in ein weitgehend unkartiertes „Niemandsland“ im Zustandsdiagramm von Wasser und können helfen, verschiedene konkurrierende Theorien zum Verhalten von ultrakaltem Wasser näher einzugrenzen.

Künstlerische Darstellung eines LCLS-Röntgenlaserblitzes, der einen unterkühlten Wassertropfen trifft

Abb.: Künstlerische Darstellung eines LCLS-Röntgenlaserblitzes, der einen unterkühlten Wassertropfen trifft. (Bild: G. Stewart, SLAC)

„Wasser ist nicht nur unverzichtbar für Leben wie wir es kennen“, betont Nilsson. „Verglichen mit anderen Flüssigkeiten hat es auch ziemlich seltsame Eigenschaften.“ Ein Beispiel ist die sogenannte Dichteanomalie. Darüber hinaus hat Wasser eine hohe Siedetemperatur, eine große Oberflächenspannung und eine hohe Wärmekapazität verglichen mit vielen anderen Flüssigkeiten.

Normalerweise gefriert Wasser bei null Grad Celsius zu Eis. Sehr reines Wasser ohne jegliche Kristallisationskeime kann jedoch bis weit unter den Gefrierpunkt flüssig bleiben, man spricht von unterkühltem Wasser. „Forscher wissen seit langem, dass Wasser auch bei extrem kalten Temperaturen noch flüssig sein kann“, erläutert DESY-Forscher Anton Barty vom Center for Free-Electron Laser Science CFEL. „Aber es ist zuvor niemals gelungen, verlässliche Strukturinformationen für flüssiges Wasser unterhalb von etwa minus 38 Grad Celsius zu gewinnen.“

Denn bei derart kalten Temperaturen bleibt auch unterkühltes Wasser nur für winzige Sekundenbruchteile flüssig, bevor es plötzlich zu Eis gefriert. Die Temperaturregion zwischen minus 38 Grad und minus 115 Grad Celsius, wo Wasser schließlich eine glasartige, nichtkristalline Form annimmt, war daher bislang experimentell nahezu unzugänglich.

Die Forscher haben nun die ultrakurzen und extrem hellen Röntgenlaserblitze der SLAC-Forschungslichtquelle LCLS (Linac Coherent Light Source) benutzt, um dem stark unterkühlten Wasser bei bis zu minus 46 Grad in den wenigen Millisekunden vor dem spontanen Durchfrieren seine innere Struktur zu entlocken.

Dazu konstruierten sie einen speziellen Injektor, der winzige Wassertröpfchen in eine Vakuumkammer schießt. Im Vakuum verdampft Wasser von der Tropfenoberfläche, und die Verdunstungskälte kühlt den übrigen Tropfen. In der Zeit, bis die Tröpfchen von einem der nur 50 Femtosekunden kurzen Röntgenlaserblitze getroffen werden, können die Wissenschaftler die Temperatur des Wassers gezielt kontrollieren. Dabei erreichten sie in diesem Experiment bis zu minus 46 Grad. „Dank der LCLS waren wir jetzt endlich in der Lage, in diese kalte Zone vorzudringen, die uns neue Informationen über die einzigartige Beschaffenheit von Wasser liefern wird“, betont Nilsson.

„Je kälter die Tröpfchen waren, desto mehr hatten bereits Eiskristalle in sich. Ein nennenswerter Teil blieb jedoch flüssig“, berichtet Barty. „Es gibt verschiedene, konkurrierende Theorien dazu, wie Wasser sich in diesem 'Niemandsland' verhält. Unsere Ergebnisse zeigen, dass unterkühltes Wasser auf einer lokalen Skala mehr und mehr Innere Ordnung gewinnt, dass diese Veränderung kontinuierlich abläuft und sich bei tiefen Temperaturen stark beschleunigt.“ Diese Beobachtungen passen zu Modellen, die von einem Phasenübergang in unterkühltem Wasser von einer Flüssigkeit mit hoher Dichte zu einer Flüssigkeit mit niedriger Dichte ausgehen, der an einem kritischen Punkt bei hohem Druck stattfindet.

Diese Beobachtungen sind allerdings nur ein erster Schritt ins experimentelle Neuland, wie die Forscher betonen. Nilsson hofft, noch deutlich kältere Temperaturen erreichen zu können, um zu testen, ob die ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser an einem bestimmten Punkt gipfeln. „Unser Ziel ist, diese Dynamik so weit wie möglich zu verfolgen. Letztendlich wird uns das Verständnis der Vorgänge im 'Niemandsland' helfen, Wasser grundsätzlich unter allen Bedingungen zu verstehen.“

DESY / DE

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