Hochdichtes Wasser entdeckt
April 21, 2004 by admin
Jeder weiß es: Eis schmilzt bei null Grad Celsius. Auf diese Weise wurde sogar der Nullpunkt der Celsius-Skala festgelegt. Nun aber haben Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart überraschend beobachtet, dass Eis an der Grenzfläche zu einem Mineral wie Siliziumdioxid schon bei minus 17 Grad Celsius zu schmelzen beginnt, also weit unterhalb des Gefrierpunktes. Bei der genauen Analyse der nur wenige Nanometer dünnen Schicht aus Wasser stellten die Forscher fest, dass dieses Wasser mit einer Dichte von etwa 1.2 Gramm pro Kubikzentimeter 20 Prozent kompakter ist als normales Wasser. Die erstmalige Entdeckung hochdichten Wassers gelang mit Hilfe hochbrillanter Röntgenstrahlung, doch was genau zu seiner Entstehung führt, ist noch unbekannt (Physical Review Letters, 2004, in Druck). Da die Erdkruste hauptsächlich aus Siliziumdioxid besteht, könnte diese Entdeckung wichtig sein für das Verständnis von Gletscherbewegungen oder die Stabilität von Permafrostböden, aber auch für andere Phänomene, wie die Vereisung von Flugzeugtragflächen oder die Bewegung von Fahrzeugen auf gefrorener Fahrbahn.
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Abb. 1: Schmelzen von Eis an einer Grenzfläche (links). In der Natur kann dieses Phänomen z.B. in Permafrostböden eine Rolle spielen (rechts).
Bild: Max-Planck-Institut für Metallforschung
Trotz seiner einfachen chemischen Formel ist die Struktur von Wasser nach wie vor ungeklärt. Auch weist Wasser eine Reihe “nicht-normaler” bzw. schwer erklärbarer Eigenschaften auf. So hat es seine höchste Dichte bei 4 Grad Celsius. Gefriert es zu Eis, verringert sich seine Dichte, es dehnt sich aus und lässt Rohrleitungen platzen oder Glasflaschen zerbersten. Man geht deshalb heute davon aus, dass es zwei Formen von Wasser gibt – hochdichtes und niedrigdichtes Wasser. In normalem Wasser ordnen sich die Moleküle ständig um und bilden dabei jeweils kleine Bereiche dieser beiden Wasserformen.
Über Experimente an Grenzflächen haben die Stuttgarter Max-Planck-Forscher nun versucht, den rätselhaften Eigenschaften von Eis und Wasser auf die Spur zu kommen. Um Experimente mit Eis vorbereiten und durchführen zu können, arbeiten die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Metallforschung in einem begehbaren Kühlraum bei – 20 Grad Celsius. Sie verwenden perfekte, an der ETH Zürich aus hochreinem Wasser gezüchtete Eis-Einkristalle und präparieren Grenzflächen zwischen Eis und Siliziumdioxid. Siliziumdioxid ist ein Hauptbestandteil der Erdkruste und dient als Modell für Eis-Mineral-Grenzflächen in der Natur.
Gesamter Artikel:
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