Wasser hat einen unteren kritischen Punkt

Wasser ist auf der Erde nahezu allgegenwärtig – und doch rätselhaft. Denn viele ungewöhnliche Eigenschaften dieses Lebenselixiers sind bis heute nicht vollständig erklärt. Jetzt könnten Forschende eine der Ursachen für diese Anomalien entdeckt haben. In Experimenten im Röntgenlaser wiesen sie einen neuen kritischen Punkt von unterkühltem Wasser bei minus 63 Grad und einem Hochdruck von rund 1000 Atmosphären nach. Er markiert den Punkt, ab dem sich die beiden Dichtevarianten des Wassers – ein dichteres und ein weniger dichtes – bilden und auseinander entwickeln. Nach Ansicht des Teams könnte dieser neu entdeckte kritische Übergang sowohl die Dichteanomalie als auch andere exotische Merkmale des Wassers erklären.

Wasser ist ebenso allgegenwärtig wie rätselhaft. Denn es hat Dutzende exotische Eigenheiten, die es von anderen Flüssigkeiten unterschieden. Dazu gehören die hohe Wärmekapazität, die „klumpige“ Molekülverteilung im flüssigen Wasser, die Eigendissoziation, die enorme Zahl verschiedener Kristallisationsformen und vor allem die Dichteanomalie: Die meisten anderen Flüssigkeiten werden beim Auskristallisieren dichter – das kompakte Kristallgitter erlaubt eine engere Packung der Atome als die nur lose verbundene flüssige Konfiguration. Nicht so beim H₂O: Wasser erreicht seine dichteste Konfiguration bei vier Grad plus – also wenn es noch flüssig ist – und dehnt sich dann beim Gefrieren wieder aus. Diese Dichtanomalie sorgt dafür, dass Eis auf dem Wasser schwimmt und Seen und Tümpel im Winter selten komplett durchfrieren.

Zwei Dichtevarianten

Den Grund für die Dichteanomalie des Wassers erforschen Wissenschaftler schon seit Jahrzehnten. Inzwischen gibt es einige Theorien dazu, darunter eine Beihilfe von Van-der-Waals-Bindungskräften zu den normalen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen des flüssigen Wassers. Eine andere, 1992 aufgestellte Theorie geht davon aus, dass die beiden von amorphem Wassereis bekannten Dichtevarianten eine Rolle spielen. Kühlt man flüssiges Wasser so schnell und stark ab, dass es keine Zeit hat, eine Kristallstruktur auszubilden, entsteht ein nichtkristallines, glasartiges Eis. Analysen haben gezeigt, dass dieses amorphe Eis in einer dichteren (HDL) und einer weniger dichten Variante (LDL) vorkommt. Einigen Hypothesen zufolge bleiben diese beiden Dichtephasen des Wassers auch im flüssigen Wasser noch bestehen und verursachen einige der Anomalien. Wenn das der Fall ist, müsste es bei extrem unterkühltem, aber nicht gefrorenem Wasser einen Punkt geben, an dem diese beiden Dichteanomalien entstehen – einen kritischen Punkt (LLCP).

„Diesen kritischen Punkt der beiden Flüssigkeitsvarianten direkt experimentell zu beobachten ist jedoch eine extreme Herausforderung“, erklären Seonju You von der POSTECH-Universität in Südkorea und ihre Kollegen. Denn dieser Punkt liegt an einer Stelle im Phasendiagramm des Wassers, an dem dieses wegen der tiefen Temperaturen eigentlich innerhalb von Mikrosekunden gefriert. Doch neue Lasertechniken ermöglichen es inzwischen, sich diesem vermuteten kritischen Punkt von der anderen Seite anzunähern – vom amorphen Eis aus. „Es ist faszinierend, dass dieser so gut untersuchte Zustand des Wassers für uns zum Eingangstor in die kritische Region werden konnte“, sagt Co-Autor Aigerim Karina von der Universität Stockholm. Für ihr Experiment nutzten sie einen Infrarotlaser, dessen Nanosekunden-Pulse die beiden Dichtevarianten des Eises schnell aufheizten, während gleichzeitig ein Röntgenlaser die Struktur und Anordnung der Wassermoleküle einfing.

Übergang bei 210 Kelvin

Die Analysen zeigten, dass sich die beiden Eisvarianten im Temperaturbereich um 210 Kelvin – etwa minus 63 Grad Celsius – veränderten. „Wir beobachteten zudem eine schnelle Zunahme der Wärmekapazität, die auf eine kritische Divergenz und zunehmende Dichtefluktuationen an diesem Punkt hindeuten“, schreiben You und ihre Kollegen. „Beide Dichteproben durchlaufen an diesem Punkt ein ähnliches Regime von Dichteschwankungen auf ihrem Weg zur Dekompression.“ Nach Ansicht des Teams sprechen ihre Messergebnisse dafür, dass unterkühltes Wasser bei rund 210 Kelvin und einem Druck von gut 1000 Atmosphären einen kritischen Punkt durchläuft. „Seit Jahrzehnten gab es Spekulationen und verschiedenen Theorien, um die bemerkenswerten Eigenheiten des Wassers zu erklären. Eine Theorie war die Existenz eines kritischen Punkts“, sagt Co-Autor Anders Nilsson von der Universität Stockholm. „Jetzt haben wir festgestellt, dass ein solcher Punkt tatsächlich existiert. Forschende können nun ein Modell verwenden, nach dem Wasser auch einen kritischen Punkt im unterkühlten Regime besitzt.“

Quelle: Seonju You (POSTECH University, Pohang, Südkorea) et al., Science, doi: 10.1126/science.aec0018

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar