Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Im Niemandsland der Eiskristalle

23.05.2013
Simulationen erlauben erstmals Einblicke in die Kristallisation winziger Wassertropfen

Wasser, das zu Eis gefriert, ist Physik im Alltag, aber auch Wissenschaftler lernen darüber immer wieder Neues. So lässt sich erst jetzt auch im Nanometer-Bereich untersuchen, wann dieser Kristallisationsprozess beginnt und wie schnell er bei verschiedenen Temperaturen und Wassertropfen unterschiedlicher Größe verläuft.


Vom Nanotropfen zum Eiskristall: Wie schnell ein Tropfen von wenigen Nanometern Durchmesser zu Eis gefriert, hängt von seiner Größe und der Umgebungstemperatur ab.
© Davide Donadio

Denn Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz haben gemeinsam mit Kollegen von der George Washington University in Washington D.C. und der University of California in Davis ein Modell entwickelt, mit dem sich die Eisbildung in winzigen Wassertropfen simulieren lässt.

Dabei stellten sie fest, dass die Kristallisationsrate bei sehr kleinen Tropfen stark von deren Radius abhängt. Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, Klimamodelle zu verbessern, weil die Kristallisation von Wasser bei der Wolkenbildung in den oberen Atmosphärenschichten eine entscheidende Rolle spielt.

Für ihre Untersuchungen haben die Wissenschaftler winzige Wassertropfen mit einem Radius zwischen 2,4 und 6,1 Nanometern betrachtet. „Sie enthalten ungefähr 2000 beziehungsweise 32000 Wassermoleküle“, erklärt der Physiker Davide Donadio, der am Max-Planck-Institut für Polymerforschung die Forschungsgruppe Theory of Nanostrucures and Transport leitet. „Unsere Simulationen basieren auf einem klassischen Modell, das die Thermodynamik des Wassers gut wiedergibt.“ Dieses Modell berücksichtigt insbesondere eine Eigenschaft, die charakteristisch für das Verhalten von Wasser ist: seine Dichteanomalie. Im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten erreicht Wasser seine maximale Dichte nicht am Gefrierpunkt, sondern schon bei vier Grad Celsius. Aus diesem Grund frieren Seen und Flüsse selbst bei Temperaturen weit unter null Grad nie vollständig zu.

Die Berechnungen hat Tianshu Li auf einem kleinen Computer-Cluster an der George Washington University vorgenommen. Mit ihrer Hilfe konnten die Wissenschaftler die Bewegungen jedes einzelnen Moleküls bei Temperaturen zwischen minus 68 und minus 33 Grad Celsius nachverfolgen und genau beobachten, wann die Kristallisation des Wassers begann. „Dabei stellten wir fest, dass die Eisbildung bei Tropfen mit einem Radius von unter fünf Nanometern stark von ihrer Größe abhängt“, sagt Tianshu Li. „Je kleiner die Tropfen wurden, desto geringer war bei einer festen Umgebungstemperatur die Kristallisationsrate“. Sobald der Radius über fünf Nanometern lag, hing die Eisbildung hingegen kaum mehr von der Tropfengröße ab.

In Nanotropfen sinkt die Kristallisationsrate mit ihrem Radius

Für dieses Verhalten sind vor allem Oberflächeneffekte verantwortlich: Wegen der Krümmung der Wassertropfen herrscht in ihnen ein höherer Druck als in der Umgebung – ein Phänomen, das den Namen Laplace-Druck trägt und mit sinkendem Radius immer wichtiger wird. Ursache dafür ist die Oberflächenspannung des Wassers: Kräfte zwischen den Molekülen sorgen dafür, dass sich die Oberfläche ähnlich wie eine Folie verhält und kleine Lasten tragen kann. Das erlaubt es beispielsweise Insekten, über Bäche oder Seen zu spazieren.

In den winzigen Wassertropen führt der Laplace-Druck dazu, dass sich die Eisbildung verlangsamt. „Durch den höheren Druck in ihrem Inneren sinkt die Kristallisationsrate“, so Donadio. „Grund dafür ist die Anomalie des Wassers: Weil Eis eine geringere Dichte hat, führt eine Druckerhöhung immer zu einem sinkenden Gefrierpunkt.“ Genau das zeigte auch die Simulation: Je kleiner der Tropfenradius wurde, desto höher stieg der Laplace-Druck und desto kleiner war die Kristallisationsrate.

„Es gibt eine große Debatte über das Verhalten von Wasser in der von uns untersuchten Temperaturregion“, erklärt Tianshu Li. „Mit Hilfe unserer Resultate können andere Forscher jetzt die Ergebnisse von Experimenten besser interpretieren.“ Solche Versuche sind extrem schwierig, weil die Eisbildung in den winzigen Tropfen äußerst schnell abläuft und sich darum nur unter großen Schwierigkeiten beobachten lässt – aus diesem Grund sprechen Wissenschaftler auch von einem Niemandsland für Experimente. Die Ergebnisse der Simulation sind aber auch für die Atmosphärenforschung von großer Bedeutung: Wassertropfen in den Wolken streuen das Sonnenlicht und bestimmen dadurch, wie viel Strahlung auf der Erde ankommt. Die Resultate von Donadio und seinen Kollegen Tianshu Li von der George Washington University und Giulia Galli von der University of California verhelfen Atmosphärenforschern jetzt zu einem besseren Verständnis der Eisbildung in Stratosphärenwolken. Zudem können sie ihre Klimamodelle verbessern, weil sich die Streuung des Sonnenlichts an Wolken besser berechnen lässt.
Ansprechpartner
Dr. Davide Donadio
Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz
Telefon: +49 6131 379-333
E-Mail: donadio@­mpip-mainz.mpg.de
Originalpublikation
Tianshu Li, Davide Donadio und Giulia Galli
Ice nucleation at the nanoscale probes no man’s land of water
Nature Geoscience, 21. Mai 2013; doi: 10.1038/ncomms2918

Dr. Davide Donadio | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/7261642/nano_tropfen_eis_kristall

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen
27.06.2017 | Fraunhofer IFAM

nachricht Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter
23.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

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...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Umfangreiche Fördermaßnahmen für Forschung an Chromatin, Nebenniere und Krebstherapie

28.06.2017 | Förderungen Preise

Immunabwehr: Wie Proteine Membranbläschen zusammenbringen

28.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das Auto lernt vorauszudenken

28.06.2017 | Maschinenbau