Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

27.06.2017

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck Wasser bei Temperaturen von rund minus 150 Grad Celsius in zähflüssigem Zustand zu beobachten und dessen Eigenschaften zu untersuchen. Bereits vor vier Jahren hat das Team um Thomas Lörting Hinweise gefunden, dass stark unterkühltes Wasser aus zwei unterschiedlich dichten Formen existiert.


Künstlerische Darstellung der beiden zähflüssigen Formen von Wasser vor einem Röntgenbeugungsbild aus der Studie.

Mattias Karlén


Die Messungen wurden in der PETRA III-Experimentierhalle des DESY in Hamburg durchgeführt.

Uni Innsbruck

„In unserem Experiment zeigte sich damals, dass es abhängig vom Umgebungsdruck zwei unterschiedliche flüssige Formen von Wasser gibt, eine mit niedriger Dichte und eine hochdichte Form.“ Dieser Befund ist überaus erstaunlich, könnte er doch bedeuten, dass auch ganz normales Leitungswasser aus zwei Flüssigkeiten besteht. Untersucht werden kann das Phänomen freilich nur unter extremen Bedingungen, weil die beiden Flüssigkeiten bei sehr tiefen Temperaturen getrennt voneinander existieren.

Wassermoleküle in Bewegung

Nun hat das Team um Thomas Lörting gemeinsam mit Forschern der Universität Stockholm am deutschen Großforschungszentrum DESY in Hamburg stark unterkühltes Wasser mit Hilfe eines stark gebündelten Röntgenstrahls untersucht. Mit Kleinwinkel-Röntgenstreuung lässt sich nämlich die Bewegung von Molekülen in einer Probe bestimmen.

„Wir wollten in diesem Experiment sehen, ob die Moleküle wie in Festkörpern an Ort und Stelle gebunden sind, oder ob sie sich wie in einer Flüssigkeit im Raum umherbewegen“, erzählt Thomas Lörting. Die an der Universität Innsbruck erzeugten Proben aus amorphem Eis - also nicht kristallisiertem Eis - wurden am DESY mit Röntgenstrahlen beschossen und so die Bewegung der Wassermoleküle abhängig von der Temperatur bestimmt. Dabei zeigte sich, dass ab circa minus 160 Grad Celsius die Bewegung der Moleküle stark zunimmt.

„Aus der Analyse der Daten konnten wir als Bewegungsraum eines Moleküls 50 Nanoquadratmeter pro Sekunde bestimmten, was für ein Molekül eine sehr große Fläche ist“, betont Lörting. Auch nach dem Übergang von hochdichtem in niedrigdichtes Wasser bei circa minus 137 Grad Celsius bewegen sich die Moleküle, allerdings nicht mehr ganz so schnell. Diese Dynamik zeigt, dass die zwei Phasen tatsächlich flüssig sind.

„Es ist wie ein wahrgewordener Traum beobachten zu können, wie sich Wasser von einem glasartigen Zustand in eine viskose Flüssigkeit und dann fast sofort in eine weitere, noch zähflüssigere Substanz von sehr viel niedrigerer Dichte verwandelt“, freut sich Katrin Amann-Winkel, ehemaliges Mitglied der Arbeitsgruppe von Thomas Lörting in Innsbruck und nun Forscherin an der Universität Stockholm.

Neue Form der Chemie möglich

In Zukunft wollen die Innsbrucker Wissenschaftler ein Experiment bauen, in dem sie beliebig zwischen den beiden Zuständen hin- und herspringen können. „Dazu müssen wir das System in einen Gleichgewichtszustand bringen, was nur unter hohem Druck möglich ist“, sagt Thomas Lörting. Es gibt bereits Ideen, wie die aktuellen Messungen in einer Hochdruckkammer wiederholt werden können. Die Forscher wollen in den nächsten Jahren aber auch klären, ob Chemie in stark unterkühltem Wasser nur in Zeitlupe abläuft, oder ob dieses Tieftemperatur-Lösungsmittel das Tor zu einer ganz neuen Form von Chemie aufstößt.

Die aktuelle Arbeit entstand im Rahmen der Forschungsplattform Material- und Nanowissenschaften an der Universität Innsbruck und wurde unter anderem vom österreichischen Forschungsförderungsfonds (FWF) finanziell unterstützt.

Publikation: Diffusive dynamics during the high-to-low density transition in amorphous ice. Fivos Perakis, Katrin Amann-Winkel, Felix Lehmkühler, Michael Sprung, Daniel Mariedahl, Jonas A. Sellberg, Harshad Pathak, Alexander Späh, Filippo Cavalca, Daniel Schlesinger, Alessandro Ricci, Avni Jain, Bernhard Massani, Flora Aubree, Chris J. Benmore, Thomas Loerting, Gerhard Grübel, Lars G. M. Pettersson, and Anders Nilsson. Proc. Natl. Acad. Sci. 2017 DOI: 10.1073/pnas.1705303114

Rückfragehinweis:
Thomas Lörting
Institut für Physikalische Chemie
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 58019
E-Mail: thomas.loerting@uibk.ac.at

Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 32022
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1705303114 - Diffusive dynamics during the high-to-low density transition in amorphous ice. Fivos Perakis, et. al., Proc. Natl. Acad. Sci. 2017
http://www.uibk.ac.at/physchem/ - Institut für Physikalische Chemie, Universität Innsbruck
http://www.fysik.su.se/english/ - Department of Physics, Stockholm University
https://www.desy.de/ - Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Verbesserte Kohlendioxid-Fixierung dank Mikrokompartiment
25.09.2017 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Regenbogenfarben enthüllen Werdegang von Zellen
25.09.2017 | Technische Universität Dresden

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Event News

“Lasers in Composites Symposium” in Aachen – from Science to Application

19.09.2017 | Event News

I-ESA 2018 – Call for Papers

12.09.2017 | Event News

EMBO at Basel Life, a new conference on current and emerging life science research

06.09.2017 | Event News

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Verbesserte Kohlendioxid-Fixierung dank Mikrokompartiment

25.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Internationales Forscherteam entdeckt kohärenten Lichtverstärkungsprozess in Laser-angeregtem Glas

25.09.2017 | Physik Astronomie

LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

25.09.2017 | Messenachrichten