Die Besonderheiten des Wassers

Wasser ist eine der grundlegendsten Substanzen auf unserem Planeten und zeigt eine Reihe von Anomalien, die es von anderen Flüssigkeiten unterscheiden. Während die meisten Stoffe bei Abkühlung dichter werden, erreicht Wasser seine maximale Dichte bei 4 Grad Celsius und dehnt sich bei weiterer Abkühlung aus. Diese Eigenschaft führt dazu, dass Eis auf flüssigem Wasser schwimmt. Zudem hat Wasser einen ungewöhnlich hohen Siedepunkt für ein Molekül seiner Größe, was auf die starken Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülen zurückzuführen ist.

Der kritische Punkt von Wasser

Ein internationales Forschungsteam um Anders Nilsson von der Universität Stockholm hat experimentelle Belege für einen zweiten kritischen Punkt von Wasser gefunden. Dieser liegt bei etwa minus 63 Grad Celsius und einem Druck von 1000 Bar. Oberhalb dieses kritischen Punkts verhält sich Wasser wie eine überkritische Flüssigkeit, in der keine klare Unterscheidung zwischen flüssiger und gasförmiger Phase möglich ist. Diese Erkenntnisse stützen die Theorie, dass Wasser in einem bestimmten Temperatur- und Druckbereich in zwei verschiedenen flüssigen Phasen existieren kann: eine mit niedriger Dichte (LDL) und eine mit hoher Dichte (HDL).

Experimente und Methoden

Die Experimente zur Untersuchung des kritischen Punkts von Wasser sind äußerst anspruchsvoll. Unterkühltes Wasser gefriert unterhalb von minus 45 Grad Celsius innerhalb von Mikrosekunden zu Eis. Nilsson und sein Team umgingen dieses Problem, indem sie amorphes Eis mithilfe ultrakurzer Infrarotlaser-Pulse erwärmten und anschließend den Druck variierten. Durch Röntgendiffraktometrie konnten sie die strukturellen Veränderungen in den flüssigen Phasen beobachten. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die molekulare Struktur der Flüssigkeit bei Druckabfall bis zu einer Temperatur von minus 63 Grad Celsius ändert.

Amorphe Eisformen und ihre Bedeutung

Unterhalb von minus 137 Grad Celsius existiert Wasser in zwei amorphen, nicht kristallinen Formen: amorphes Eis niedriger Dichte (LDA) und amorphes Eis hoher Dichte (HDA). Diese Formen sind entscheidend für das Verständnis der flüssigen Phasen von Wasser im sogenannten „Niemandsland“ zwischen minus 45 und minus 137 Grad Celsius. Die Hypothese, dass in diesem Bereich zwei flüssige Phasen existieren, wird durch die neuen experimentellen Daten gestützt.

Wissenschaftliche und praktische Implikationen

Die neuen Erkenntnisse über den kritischen Punkt und die flüssigen Phasen von Wasser haben weitreichende Konsequenzen. Sie könnten nicht nur das Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Wasser verbessern, sondern auch Anwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen beeinflussen. Denkbar sind Fortschritte in der Klimaforschung, der Biologie (insbesondere bei Prozessen in lebenden Zellen) sowie in der Energietechnik und den Geowissenschaften. Die Studie von Nilsson und Kollegen eröffnet somit neue Perspektiven für die Erforschung dieses essenziellen und faszinierenden Stoffes.