Röntgenlaser erlaubt Einblicke in Anomalien von Wasser

Mithilfe von Röntgenlasern konnten Forschende der Universität Stockholm und des MPI für Polymerforschung die Existenz eines kritischen Punktes in unterkühltem Wasser bei etwa -63 °C und 1000 Atmosphären nachweisen.

Normales Wasser bei höheren Temperaturen und niedrigerem Druck wird durch das Vorhandensein dieses kritischen Punktes stark beeinflusst, was den Ursprung seiner seltsamen Eigenschaften erklärt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Wasser, das allgegenwärtig und für das Leben auf der Erde unverzichtbar ist, verhält sich im Vergleich zu anderen Stoffen sehr seltsam. Wie die Dichte, die spezifische Wärme, die Viskosität und die Kompressibilität von Wasser auf Druck- und Temperaturänderungen reagieren, ist völlig anders als bei anderen uns bekannten Flüssigkeiten.

Jede Materie schrumpft beim Abkühlen, was zu einer Erhöhung ihrer Dichte führt. Man würde daher erwarten, dass Wasser am Gefrierpunkt eine hohe Dichte aufweist. Betrachtet man jedoch ein Glas Eiswasser, steht alles auf dem Kopf, da, wie wir alle wissen, dass Eiswürfel oben schwimmen. Seltsamerweise ist Wasser im flüssigen Zustand bei 4 °C am dichtesten und bleibt daher am Boden, egal ob in einem Glas oder im Ozean.

Kühlt man Wasser unter 4 Grad ab, beginnt es wieder, sich auszudehnen. Kühlt man reines Wasser (bei dem die Kristallisationsrate gering ist) weiter auf unter 0 Grad ab, dehnt es sich weiter aus - die Ausdehnung beschleunigt sich sogar, je kälter es wird. Viele weitere Eigenschaften wie Kompressibilität und Wärmekapazität verhalten sich zunehmend seltsam, wenn Wasser abgekühlt wird.

Nun ist es Forschenden der Universität Stockholm und des MPI-P mithilfe ultrakurzer Röntgenimpulse an Röntgenlasern in Südkorea gelungen, festzustellen, dass Wasser bei starker Unterkühlung einen kritischen Punkt aufweist und dass dieser kritische Punkt die Ursache für die seltsamen Eigenschaften ist.

"Das Besondere war, dass wir unvorstellbar schnell Röntgenaufnahmen machen konnten, bevor das Eis gefror, und beobachten konnten, wie der Flüssig-Flüssig-Übergang verschwindet und ein neuer kritischer Zustand entsteht", sagt Anders Nilsson, Professor für Chemische Physik am Institut für Physik der Universität Stockholm. "Seit Jahrzehnten gibt es Spekulationen und verschiedene Theorien, um diese bemerkenswerten Eigenschaften zu erklären, und eine dieser Theorien war die Existenz eines kritischen Punktes. Nun haben wir festgestellt, dass ein solcher Punkt tatsächlich existiert."

Wasser ist einzigartig, da es in zwei makroskopischen Flüssigkeitsphasen vorkommen kann, in denen die Wassermoleküle bei niedriger Temperatur und hohem Druck auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden sind. Wenn die Temperatur steigt und der Druck sinkt, gibt es einen Zustand, in dem der Unterschied zwischen den beiden Flüssigkeitsphasen verschwindet und nur noch eine Phase vorliegt. Dies ist ein Punkt großer Instabilität, der Schwankungen in einem weiten Temperatur- und Druckbereich bis hin zu Umgebungsbedingungen verursacht.

Das Wasser schwankt zwischen den beiden flüssigen Zuständen und Mischungen aus beiden, als könne es sich nicht entscheiden. Es sind diese Schwankungen, die dem Wasser seine ungewöhnlichen Eigenschaften verleihen. Der Zustand jenseits eines kritischen Punktes wird als überkritisch bezeichnet, und Wasser bei Umgebungsbedingungen befindet sich in diesem Zustand.

Eine weitere bemerkenswerte Erkenntnis der Studie ist, dass sich die Dynamik des Systems verlangsamt, sobald es den kritischen Punkt erreicht. "Es sieht fast so aus, als könne man dem kritischen Punkt nicht entkommen, wenn man ihn einmal betreten hat - fast wie bei einem Schwarzen Loch", sagt Robin Tyburski, Forscher für Chemische Physik an der Universität Stockholm.

"Es ist erstaunlich, wie amorphes Eis, ein so intensiv erforschter Zustand von Wasser, zufällig zu unserem Zugang zum kritischen Bereich wurde. Das ist eine große Inspiration für meine weiteren Studien und eine Erinnerung daran, welche Entdeckungsmöglichkeiten sich in viel erforschten Themen wie Wasser bieten", sagt Aigerim Karina, Postdoktorandin in chemischer Physik an der Universität Stockholm.

"Es war ein wahr gewordener Traum, Wasser unter solch niedrigen Temperaturbedingungen messen zu können, ohne dass es gefriert", sagt Iason Andronis, Doktorand in chemischer Physik an der Universität Stockholm. "Viele haben davon geträumt, diesen kritischen Punkt zu finden, aber die Mittel dazu standen vor der Entwicklung der Röntgenlaser nicht zur Verfügung."

"Ich finde es sehr spannend, dass Wasser die einzige überkritische Flüssigkeit unter Umgebungsbedingungen ist, bei denen Leben existiert, und wir wissen auch, dass es ohne Wasser kein Leben gibt. Ist das reiner Zufall oder gibt es hier wesentliche Erkenntnisse, die wir in Zukunft gewinnen können?", sagt Fivos Perakis, außerordentlicher Professor für Chemische Physik an der Universität Stockholm.

"Seit den frühen Arbeiten von Wolfgang Röntgen wird seit über einem Jahrhundert intensiv über den Ursprung der seltsamen Eigenschaften von Wasser diskutiert", erklärt Anders Nilsson. "Forscher, die sich mit der Physik des Wassers beschäftigen, können sich nun auf das Modell einigen, dass Wasser einen kritischen Punkt im unterkühlten Bereich hat. Der nächste Schritt besteht darin, die Auswirkungen dieser Erkenntnisse auf die Bedeutung von Wasser in physikalischen, chemischen, biologischen, geologischen und klimabezogenen Prozessen zu ermitteln. Eine große Herausforderung für die nächsten Jahre."

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Quelle: Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P)