Röntgenlaser erlaubt Einblicke in Anomalien von Wasser

Zwei flüssige Zustände von Wasser

Mithilfe von Röntgenlasern konnten Forschende der Universitäten Stockholm sowie Pohang (Südkorea) 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) 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 bei tiefen Temperaturen zunehmend seltsam. Nun ist es Forschenden mit Hilfe ultrakurzer Röntgenimpulse an Röntgenlasern 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.

Seit den frühen Arbeiten von Wolfgang Röntgen wird seit über einem Jahrhundert intensiv über den Ursprung der seltsamen Eigenschaften von Wasser diskutiert. „Als Ausgangspunkt für unsere experimentelle Studie haben wir amorphes Eis als Modellsystem verwendet. Spannend ist es nun, die Auswirkungen unserer Ergebnisse hinsichtlich ihrer Bedeutung bei physikalischen, chemischen, biologischen sowie klima-relevanten Prozessen zu verstehen“, sagt Katrin Amann Winkel, Professorin an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Polymerforschung.

Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Stockholm, der POSTECH-Universität und PAL-XFEL in Südkorea sowie der St. Francis Xavier University in Kanada durchgeführt.