Versuchseinrichtung am Institut für Physikalische Chemie

Eis­kaltes Wasser ent­zweit

Seine erstaunlichen Eigenschaften verdankt das Wasser möglicherweise seiner Zwiegespaltenheit. Nach einem bis heute experimentell noch nicht zweifelsfrei bestätigten Modell, besteht es aus zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte. Tiroler Chemiker haben nun die Grundlage für einen eindeutigen Nachweis gelegt.

Trotz seiner einfachen molekularen Struktur weist Wasser viele erstaunliche Eigenschaften auf. So hat Wasser nicht im gefrorenen Zustand, sondern bei 4 Grad Celsius seine höchste Dichte. Heute sind über 60 Eigenschaften bekannt, in denen sich Wasser von fast allen anderen Flüssigkeiten unterscheidet. Diese Anomalien von Wasser bereiten schon Generationen von Forschern Kopfzerbrechen. Eine mögliche, aber bis heute experimentell noch nicht zweifelsfrei bewiesene Erklärung ist das Zweiflüssigkeitsmodell, nach dem Wasser sich aus zwei unterschiedlich dichten Flüssigkeiten zusammensetzt. Das Team um Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck hat bereits zahlreiche Hinweise für die Existenz dieser zwei Formen von flüssigem Wasser gefunden. Nun konnten die Innsbrucker Chemiker zeigen, dass tief unterkühltes, flüssiges Wasser bis zu 3000 Bar Umgebungsdruck experimentell zugänglich ist. „Das sind genau jene Bedingungen, unter denen nach dem besagten Modell Wasser sich spontan in eine niederdichte und hochdichte Flüssigkeit trennt“, zeigt sich Thomas Lörting erfreut.

Tief unterkühltes Wasser

Nachweisen konnten die Forscher diesen flüssigen Zustand, indem sie auf unterschiedliche Arten amorphes Eis herstellten und dieses dann langsam erwärmten. Dazu wird Wasser zum Beispiel in einem Druckzylinder stark abgekühlt und einem sehr hohen Druck ausgesetzt. So entstehen je nach Herstellungsmethode unterschiedliche Formen von nichtkristallinem Eis. Unabhängig davon welches amorphe Eis ursprünglich hergestellt wird, entsteht beim Aufwärmen bei Drücken bis zu 3000 Bar immer ein- und derselbe Zustand, nämlich der hochdichte, liquide Zustand von Wasser („HDL“).  Dieser flüssige Zustand entsteht, je nach Druck, im Temperaturbereich zwischen minus 150 und minus 120 Grad Celsius. „Die Beobachtung, dass HDL unabhängig davon entsteht, auf welchem Weg man zu diesen Druck- und Temperaturbedingungen gelangt ist ein zentrales Puzzlestück“, erklärt Thomas Lörting. „Dieser Befund widerlegt, dass HDL nur ein kurzzeitig beobachtbarer instabiler Zustand wäre, der gleich wieder verschwindet.“ Stattdessen ist HDL unter diesen Bedingungen eine thermodynamisch stabile Phase, die sich isolieren und über lange Zeiträume beobachten und charakterisieren lässt. Oberhalb von 3000 Bar hingegen wandelt sich das amorphe Eis beim Aufwärmen direkt in kristallines Eis um, ohne dass sich vorher der flüssige Zustand bilden kann.

Hypothese untermauern

„Hätten wir bei 1000 Bar kein hochdichtes, flüssiges Wasser gefunden, wäre die Theorie von den zwei Flüssigkeiten obsolet gewesen“, sagt Thomas Lörting, der nun mit seinem Team den Übergang von der hochdichten Flüssigkeit zur niederdichten Flüssigkeit experimentell nachweisen und damit das Zweiflüssigkeitsmodell weiter untermauern will. „Wir kennen nun die Temperatur- und Druckbedingungen unter denen wir diesen Übergang im Labor realisieren können. Jetzt gilt es, dies noch umzusetzen.“

Durchgeführt wurden die Arbeiten im Rahmen der Forschungsplattform Material- und Nanowissenschaften (Advanced Materials) an der Universität Innsbruck und mit finanzieller Unterstützung durch den österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und die Österreichische Akademie der Wissenschaften.

News aktuell – die neuesten Beiträge

weitere Beiträge

Nach oben scrollen