Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rätsel um kaltes Wasser gelöst

01.06.2012
Unterkühlte Flüssigkeit existiert in zwei Formen unterschiedlicher Dichte

Was in der Forschung lange als unergründliches Rätsel galt, haben Wissenschaftler der Universität Innsbruck um Prof. Thomas Lörting jetzt mit theoretischen und experimentellen Arbeiten belegt: stark unterkühltes Wasser setzt sich aus zwei unterschiedlich dichten Flüssigkeiten zusammen.


In einem Druckzylinder kühlen die Innsbrucker Forscher Wasser auf sehr tiefe Temperaturen ab. Eva Fessler/Uni Innsbruck


Unterkühltes Wasser hat eine starke Tendenz zu kristallisieren und kann deshalb nur sehr schwer untersucht werden. Eva Fessler/Uni Innsbruck

Es bedeckt über zwei Drittel unserer Erde und bildet den Grundstoff des menschlichen Körpers. Wasser ist der „Urstoff“, der Leben auf der Erde möglich macht. Es ist allgegenwärtig und birgt doch viele Geheimnisse. Die Wissenschaft kennt heute über 60 Eigenschaften, in denen sich Wasser von fast allen anderen Flüssigkeiten unterscheidet. Während etwa fast alle Festkörper in der eigenen Schmelze untergehen, schwimmt Eis auf dem Wasser. Sein Gefrierpunkt liegt bei null Grad Celsius, doch kann Wasser auch stark unterkühlt werden.

„Je tiefer es unterkühlt wird, desto ausgeprägter werden seine anomalen Eigenschaften“, erzählt Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck. Dass Wasser bei sehr tiefen Temperaturen aus zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten bestehen könnte, wurde aufgrund experimenteller Beobachtungen bereits in den 1980-er Jahren vermutet. Lange Zeit blieb diese Theorie allerdings äußerst umstritten, weil sie in der Praxis nicht direkt nachweisbar war. „Unterkühltes Wasser hat eine starke Tendenz zu kristallisieren und kann deshalb nur sehr schwer untersucht werden“, erklärt der Physikochemiker Lörting.

Wichtige Hinweise lieferte aber die Untersuchung der festen Form von Wasser. Diese besteht nicht aus Eiskristallen, sondern behält die molekulare Struktur der flüssigen Form - Wasser das fest, aber nicht gefroren ist. „Dabei zeigte sich, dass es abhängig vom Umgebungsdruck zwei unterschiedliche Formen von festem Wasser - oder amorphem Eis - gibt, eine mit niedriger Dichte und eine hochdichte Form.“ Die Vermutung lag nun nahe, dass beim Übergang von diesen festen in flüssige Phasen ebenfalls zwei unterschiedlich dichte Flüssigkeiten entstehen.

Bisher nicht direkt gemessen

Es konnte bereits gezeigt werden, dass sich festes Wasser niedriger Dichte bei -137 Grad Celsius verflüssigt. In einer in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Forschungsarbeit haben Thomas Lörting und sein Team nun erstmals auch für hochdichtes Wasser bestimmt, dass das Relaxationsverhalten bei steigender Temperatur tatsächlich flüssigkeitsartig wird. „Bei einem Druck zwischen 1000 und 2000 bar verflüssigt sich das Wasser zwischen circa -138 und -133 Grad Celsius“, sagt Lörting. Da das Wasser in einem kleinen Zylinder unter einen Hochdruckpresse gekühlt wird und nicht direkt beobachtet werden kann, mussten die Forscher ein neues Verfahren für ihre Messung entwickeln. Sie beobachteten, wie lange es dauert bis das hochdichte Wasser bei einer bestimmten Temperatur ins Gleichgewicht kommt und einen Ruhezustand einnimmt.

Substanzen gelten dann als flüssig, wenn dies innerhalb von 100 Sekunden geschieht. Während dies bei -163°C viele Tage dauert, so sind es bei -138°C nur mehr wenige Minuten. „Dieser Phasenübergang wurde bisher noch von niemandem direkt gemessen. Gemeinsam mit früheren Ergebnissen liefert uns dies einen klaren Hinweis auf die Existenz von zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten von Wasser“, ist Lörting stolz.

Die Daten aus dem Experiment decken sich mit einer theoretischen Arbeit, die Thomas Lörting gemeinsam mit amerikanischen Kollegen vor kurzem in Nature Scientific Reports veröffentlicht hat. Mit Computermodellen wurde darin gezeigt, dass die nun gemessenen Ergebnisse nur durch die Existenz von zwei Flüssigkeiten erklärt werden können. Bereits im vergangenen Jahre haben die Innsbrucker Forscher die zwei Flüssigkeiten experimentell erzeugt und wieder eingefroren. „Die niedrig- und hochdichten Formen verhalten sich wie Wasser und Öl. Sie entmischen sich und bilden zwei Schichten“, erläutert Thomas Lörting das Experiment. Die Wissenschaftler entnahmen die gefrorene Probe dem Druckzylinder und lösten die beiden Eisformen voneinander. „Bei höheren Temperaturen expandiert die hochdichte Eisform und geht in die niedrigdichte Form über“, erzählt der Chemiker, „ein weiterer Beweis für die Existenz von zwei flüssigen Formen von Wasser.“

Diese Arbeiten entstanden im Rahmen der Forschungsplattform Material- und Nanowissenschaften an der Universität Innsbruck und wurden vom Europäischen Forschungsrat (ERC), dem österreichischen Forschungsförderungsfonds (FWF) und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) finanziell unterstützt.

Publikationen:

Relaxation Time of High-Density Amorphous Ice. Philip H. Handle, Markus Seidl, Thomasa Loerting, Phys. Rev. Lett. 108, 225901 (2012). doi:10.1103/PhysRevLett.108.225901
Interplay of the Glass Transition and the Liquid-Liquid Phase Transition in Water. Nicolas Giovambattista,Thomas Loerting,Boris R. Lukanov& Francis W. Starr. Scientific Reports 2 (2012) 390. doi:10.1038/srep00390 (open access)
Equilibrated high-density amorphous ice and its first-order transition to the low-density form. Katrin Winkel, Erwin Mayer, Thomas Loerting. J. Phys. Chem. B 115 (2011) 14141-8. doi:10.1021/jp203985w

Volumetric study consistent with a glass-to-liquid transition in amorphous ices under pressure. Markus Seidl, Michael S. Elsaesser, Katrin Winkel, Gerhard Zifferer, Erwin Mayer, Thomas Loerting. Phys. Rev. B 83 (2011) doi:10.1103/PhysRevB.83.100201

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck
Weitere Informationen:
http://www.uibk.ac.at
http://www.uibk.ac.at/public-relations/presse/archiv/2012/060101/winkel11-jpcb-video.mpg

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zebras: Immer der Erinnerung nach
24.05.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

nachricht Wichtiges Regulator-Gen für die Bildung der Herzklappen entdeckt
24.05.2017 | Universität Basel

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: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten