Forscher: Flüssiges Wasser kommt in zwei unterschiedlichen Formen vor
Der Phasenübergang kann allerdings nur bei unterkühltem Wasser beobachtet werden
Italienische Wissenschaftler haben in einer neuen Theoriearbeit die seit längerem diskutierte These, dass flüssiges Wasser in zwei unterschiedlichen physikalischen Phasen vorkommen kann, auf ein festes Fundament gestellt. Ihrer Studie nach existiert ein so genannter kritischer Punkt von genau festgelegter Temperatur und Druck, bei der flüssiges Wasser in zwei verschiedenen Phasen unterschiedlicher Dichte existieren kann. Das berichten sie im Fachmagazin Physical Review Letters (Bd. 91 Artikel 155701).
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Die Forscher um Francesco Sciortino von der Universität Rom untersuchten in ihrer Studie die Abhängigkeit der Energie von flüssigem Wasser von dessen Druck und Temperatur. Dabei stellten sie fest, dass unterkühltes Wasser bei hohen Drücken und niedrigen Temperaturen seine Dichte spontan erhöhen kann – ein Phasenübergang findet statt. Die Temperatur dieses kritischen Punktes ist allerdings niedriger als der Gefrierpunkt von 0 Grad Celsius von flüssigem Wasser. Dieses müsste daher für längere Zeit unterkühlt werden, um den Phasenübergang beobachten zu können.
Theoretiker haben schon seit mehreren Jahren über diesen Phasenübergang des Wassers gemutmaßt. Die italienischen Forscher konnten in ihrer Arbeit nun allerdings mit einer eleganten Methode aus der physikalischen Statistik zeigen, dass diese Zwei-Phasen-Struktur allgemein bei allen Flüssigkeiten, die sich bei Abkühlung ausdehnen, auftreten sollte.
Allerdings ist noch unklar, ob Wasser lange genug in dem unterkühlten Zustand gelagert werden kann, um den Phasenübergang beobachten zu können. Schon kleinste Erschütterungen oder Wirbelbewegungen können nämlich ein spontanes Gefrieren einer unterkühlten Flüssigkeit einleiten.
Dass Wasser seine größte Dichte bei vier Grad Celsius besitzt, fasziniert Forscher schon seit Jahrhunderten. Der Umstand, dass sich Wasser demnach beim Abkühlen und Gefrieren ausdehnt, hat große Konsequenzen für das Leben auf der Erde. Man denke nur an Eisberge, die dank ihrer geringen Dichte auf der Meeresoberfläche schwimmen. In der Tat hängt die globale Wasserzirkulation der Ozeane und damit das Weltklima entscheidend von dieser "Anomalität" des Wassers ab.
Stefan Maier
