Von wegen null Grad - wissenschaft.de
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Geschichte+Archäologie

Von wegen null Grad

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Bei etwa minus 35 Grad Celsius bilden die Wassermoleküle Tetraeder (grün), einige haben sich schon zu Eis umgewandelt (rot). Grafik: University of Utah
Reines Wasser gefriert ? theoretisch ? erst bei minus 48 Grad Celsius. Bei Temperaturen unter diesem Wert geht die Flüssigkeit dann jedoch unweigerlich in ihre feste Form über, haben zwei US-Forscherinnen gezeigt. Je näher man der kritischen Temperatur kommt, desto mehr gleicht die Struktur des flüssigen Wassers bereits der von Eis: Es bilden sich immer mehr tetraederförmige Gruppen aus vier Wassermolekülen, einer Art Übergangsform zwischen flüssigem Wasser und Eis.

Wassermoleküle bestehen aus je zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom. Im flüssigen Zustand verbinden sich die Moleküle lose über Wasserstoffbrücken miteinander, einer relativ schwachen chemischen Bindung, die vor allem auf der elektrostatischen Anziehung basiert. Die Winkel dieser Verbindungen können sehr unterschiedlich aussehen ? laut der Physikerin Valeria Molinero gibt es 16 verschiedene kristalline Formationen, die auch entsprechend verschiedene Dichten aufweisen.

Damit flüssiges Wasser zu Eis werden kann, braucht es sogenannte Kristallisationskeime, wie beispielsweise Schmutzpartikel oder andere Verunreinigungen, um die herum sich die Wasser-Moleküle formieren können. In reinem Wasser fehlen diese Stoffe, so dass es selbst Ansatzpunkte für Eiskristalle bilden muss. Laut Molinero geschieht das, indem sich um ein Wassermolekül vier weitere versammeln, so dass Tetraeder entstehen.

Bisherige Computermodelle waren zu langsam, um die Temperatur, bei der diese Umformierung stattfindet, genau bestimmen zu können. Deshalb entwickelte Molinero gemeinsam mit Emily Moore ein neues Modell, das 200-mal schneller arbeitet als seine Vorgänger. So konnten die Forscherinnen die Veränderungen bei der Anordnung einzelner Moleküle während der Abkühlung genau verfolgen.

Das Ergebnis: Nähert sich die Temperatur minus 48,3 Grad Celsius, bilden die Wassermoleküle immer mehr der bereits erwähnten Tetraeder. Diese Struktur stellt eine Zwischenform des flüssigen und festen Aggregatzustands dar. Molinero spricht deshalb von intermediärem Eis. Bei 48,3 Grad konnten die Wissenschaftlerinnen dann keine flüssigen Bestandteile mehr erkennen ? das Wasser war komplett gefroren.

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?Die Veränderung der Molekül-Anordnung bestimmt also die Rate, mit der sich Eis bildet?, interpretiert Molinero diese Erkenntnis. Dabei handle es sich nicht nur um ein nettes Detail um des Wissens Willen, sondern auch um einen entscheidenden Hinweis für Klimaforscher, so die US-Forscherin: ?Wenn wir wissen, unter welchen Bedingungen Wasser gefriert, können wir abschätzen, wie viele flüssige und kristalline Moleküle sich in der Atmosphäre befinden. Das wiederum gibt Aufschluss über die Streuung und Absorption von Sonnenlicht und damit über das Fortschreiten der globalen Erwärmung.?

Emily Moore und Valeria Molinero (University of Utah, Salt Lake City): Nature, Bd. 479, S. 506, doi: 10.1038/nature10586 © wissenschaft.de ? Marion Martin
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