TUM-Physiker überwinden den Schmelzpunkt von Eis

Eis kann bis zu Zimmertemperatur erhitzt werden, ohne dass es sofort schmilzt. Dieser Nachweis gelang erstmalig einem Wissenschaftler-Team am Lehrstuhl für Experimentalphysik (Prof. Alfred Laubereau) der TU München in Garching. Die Physiker entwickelten ein neues spektroskopisches Verfahren, um Temperatur und Druck im Inneren des Eises auf der Zeitskala von Pikosekunden zu messen (1 Pikosekunde entspricht einem Millionstel einer Millionstel Sekunde). Das Verfahren nutzt die starke Temperatur- und Druckabhängigkeit der Infrarotabsorption von Eis. Durch die Bestrahlung mit Laserimpulsen von einer Pikosekunde Dauer gelang es, Eis weit über seinen Schmelzpunkt hinaus zu erwärmen. Über Einzelheiten des neuen Verfahrens und Untersuchungsergebnisse berichtet das Wissenschaftsmagazin Nature in seiner aktuellen Ausgabe vom 12. Januar 2006.

Die TUM-Physiker Marcus Schmeißer, Dr. Konstantin Simeonidis, Dr. Andy Thaller und Dr. Hristo Iglev untersuchten Eis-Mischungen aus leichten und schweren Wassermolekülen.
Durch Einstrahlen eines kurzen Laserblitzes wurde das Eis sprungartig erhitzt und war in diesem Zustand auch für mindestens eine Nanosekunde (eine milliardelste Sekunde) lang stabil. Im molekularen Maßstab ist dies eine bemerkenswert lange Dauer.

Dieses Phänomen der Überhitzung ist zwar von anderen Materialien her bekannt, wurde aber bisher bei Eis für unmöglich gehalten. Die Eigenschaften von Eis und Wasser werden von den so genannten Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einzelnen Wassermolekülen bestimmt. Die Überhitzungsexperimente zeigten, dass der Zusammenhalt im Eis nahe dem Gefrierpunkt überraschend hoch zu sein scheint. Mit dem neuen experimentellen Verfahren wird untersucht, ob und inwiefern einzelne Verbindungen auf molekularen Zeitskalen auseinander brechen und schließlich zum Schmelzen führen.

Da Wasserstoffbrücken in der Natur weit verbreitet sind und unter anderem auch die Stabilität von Proteinen und der Erbsubstanz bestimmen, stoßen die Untersuchungsergebnisse der TUM-Physiker auch auf großes Interesse in den Biowissenschaften.

Kontakt:
Technische Universität München
Lehrstuhl für Experimentalphysik
Dr. Hristo Iglev
Email: higlev@ph.tum.de