Wenn es kalt wird und die Temperatur unter den Gefrierpunkt sinkt, kristallisieren Flüssigkeiten zu Feststoffen aus – sie gefrieren. Bei Wasser passiert das normalerweise bei null Grad Celsius. Der Übergang von der flüssigen zur festen Phase ist allerdings ein sehr komplexer physikalischer Prozess und bei jeder Substanz unterschiedlich. Zum einen entstehen die ersten Kristalle zufällig: Wann und wo genau der Gefrierprozess beginnt, ist nicht vorhersehbar. Zum anderen kann eine sehr reine Substanz noch lange flüssig bleiben, obwohl sie so kalt ist, dass sie eigentlich gefrieren sollte. Das macht es außerordentlich schwer, die ersten Kristallisationskeime auf atomarer Ebene experimentell zu erforschen.
Wann gefrieren Edelgase?
Mit den intensiven Röntgenblitzen des Freien-Elektronen-Röntgenlasers der European X-ray Free-Electron Laser Facility (XFEL) in Schenefeld bei Hamburg ist es einem Forschungsteam um Johannes Möller nun erstmals gelungen, die plötzliche Keimbildung in unterkühlten Flüssigkeiten genau zu vermessen. Dafür verwendeten die Physiker flüssiges Argon und Krypton – zwei Edelgase, deren Verhalten in der Theorie bereits gut berechnet wurde. Ob sich die Prognosen experimentell bestätigen lassen, untersuchten Möller und seine Kollegen unter Vakuum, um Wechselwirkungen des Lasers mit Luft auszuschließen. Indem sie sehr dünne Strahlen der flüssigen Edelgase kühlten und diese zugleich mit extrem kurzen Röntgenpulsen beschossen, ermittelten sie deren sogenannte Kristallkeimbildungsrate: die Wahrscheinlichkeit, dass sich in einer gewissen Zeit in einem gewissen Volumen ein erster kleiner Kristall bildet. Insgesamt führte das Team diese Experimente mehrere Millionen Male durch.
Die Auswertung der Versuche ergab überraschend, dass die Kristallkeimbildungsraten von Argon und Krypton viel geringer sind als theoretisch vorhergesagt. Das heißt, es bildeten sich seltener Kristalle und die Flüssigkeiten gefroren deutlich später als angenommen. Theorie und Praxis unterschieden sich um den Faktor 100 bis 1000, wie die Physiker berichten. „Die Ergebnisse zeigen, dass die vielfach genutzte klassische Theorie der Entstehung von Kristallen aus der flüssigen Phase deutlich von der Realität abweicht“, sagt Möller.
