Mehr als nur eine Flüssigkeit: Wasser im Fokus von Innsbrucker Forschern

Wissenschaftlern der Universität Innsbruck gelang es, mithilfe einer einzigartigen Methode durchaus wahrscheinliche Beweise für das Zweiflüssigkeitsmodell von Wasser zu finden.

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Bruchstücke des Glases werden unter flüssigem Stickstoff in eine Hülle aus Indium gepackt, um dann in einer Presse verdichtet zu werden.
© Uni Innsbruck

Innsbruck – Wissenschaftlern der Universität Innsbruck ist möglicherweise der Beweis für das Zweiflüssigkeitsmodell von Wasser gelungen. Sie konnten nämlich die Existenz zweier unterschiedlich dichter Formen von glasartigem Wasser experimentell nachweisen. Darüber berichten sie in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Die einzige Substanz, die in der Natur im festen, flüssigen und gasförmigen Zustand vorkommt, ist Wasser. Besonders in der festen Phase gibt es Wasser in einer Vielzahl von kristallinen Formen und amorphen Zuständen. Eine Unterart der amorphen Feststoffe sind Gläser. Diese werden im Normalfall durch schnelles Abkühlen einer Flüssigkeit erzeugt, wobei diese erstarrt, aber ihre ungeordnete mikroskopische Struktur erhalten bleibt. Forschern des Instituts für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck um Thomas Lörting gelang es nun erstmals experimentell zu zeigen, dass so gewonnenes Glas aus Wasser mithilfe von Kompression in ein zweites Glas übergeht. Dieses hat eine andere mikroskopische Struktur und daher auch unterschiedliche Materialeigenschaften.

Extreme Abkühlung von Wasser

Um Wasser zu Glas erstarren zu lassen, muss es mit über einer Million Grad pro Sekunde von Raumtemperatur auf unter minus 130 Grad Celsius abgekühlt werden – andernfalls kristallisiert das Wasser und es entsteht Eis. An der Universität Innsbruck wurde bereits Anfang der 1980er-Jahre eine bis heute weltweit einzigartige Technik entwickelt, welche dieses extreme Abschrecken von Wasser ermöglicht.

In einer speziellen Apparatur schreckt Johannes Bachler Wasser in Sekundenbruchteilen auf minus 130 Grad Celsius ab.
© Uni Innsbruck

Johannes Bachler, Erstautor der Studie erklärt die Methode: „Im Gegensatz zu älteren Methoden wird Wasser nicht in tiefkalte Kühlflüssigkeit eingesprüht, sondern fein zerstäubt auf Ultraschallgeschwindigkeit beschleunigt und im Vakuum auf einer kalten Kupferplatte abgeschieden. Dadurch entsteht ein Glas frei von Kontamination, welches dann auch isoliert werden kann."

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Der Forscher transferierte das Glas in eine vorgekühlte Hochdruckzelle, um den Übergang in eine zweite, dichtere Form zu beobachten. Dort wurde es Drücken über 10.000 Atmosphären ausgesetzt. Um die Proben vor einer Zersetzung während oder gar vor der Kompression zu schützen, wurden sie in Indium – ein seltenes Schwermetall – verpackt und laufend mit flüssigem Stickstoff gekühlt.

Ein Beweis für das Zweiflüssigkeitsmodell?

Das Glas verdichtete sich an einem Punkt schlagartig, als die Wissenschaftler den Druck erhöhten. Analysen, welche mithilfe von Röntgenstrahlen durchgeführt wurden, bestätigten, dass die Probe durch die Kompression zu einem zweiten Glas wurde. Thomas Lörting freut sich: „Dies ist die erste eindeutige experimentelle Bestätigung für die Existenz von zwei Gläsern aus Wasser. Für die allermeisten Flüssigkeiten gibt es nur ein Glas. Das Auftreten zweier verschiedener Gläser ist ein sehr starker Hinweis auf das Zweiflüssigkeitsmodell, wenn nicht gar ein Beweis."

Bereits im Vorfeld hatten mehrere Forschungsgruppen die Möglichkeit der Umwandlung von einem Glas zu einem anderen Glas im Rahmen eines Zweiflüssigkeitsmodells mit Computersimulationen vorgeschlagen. „Das experimentelle Ergebnis deckt sich aber auch mit vorangegangenen Studien zu amorphem Eis“, erklärt Thomas Lörting.

Bisher war unklar, ob das mit hohem Druck aus kristallinem Eis erzeugte amorphe Eis tatsächlich ein Glas oder lediglich ein Sammelsurium winziger zerbrochener Kristalle ist. Dieser Kontroverse wurde von den Innsbrucker Forschern aus dem Weg gegangen, indem sie das Glas direkt aus flüssigem Wasser erzeugt haben. Das amorphe Eis und glasige Wasser sei, laut Analysen, ein und derselbe Zustand. Abschließend sagt Thomas Lörting „Wenn wir wissen, dass Wasser aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten besteht, kann uns das helfen, die erstaunlichen und einzigartigen Eigenschaften von Wasser zu beschreiben.“ (TT.com)


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