Mi, 22. November 2017

Van-der-Waals-Kräfte

07.07.2016 10:09

Rätsel um Dichte-Anomalie des Wassers gelöst

Forscher um Christoph Dellago von der Gruppe Computergestützte Physik der Universität Wien haben gemeinsam mit deutschen Kollegen das Rätsel um die Dichte-Anomalie des Wassers gelöst. Sie fanden heraus, dass die schwachen - zwischen Atomen bzw. Molekülen wirkenden - Van-der-Waals-Kräfte dafür verantwortlich sind, dass Wasser bei vier Grad Celsius seine höchste Dichte hat.

Wasser unterscheidet sich in Dutzenden Eigenschaften von anderen Flüssigkeiten. Die bekannteste davon ist die Dichte-Anomalie: Während vergleichbare chemische Verbindungen bei tieferer Temperatur bis zu ihrem Gefrierpunkt immer dichter werden, ist Wasser bei plus vier Grad Celsius am dichtesten. Das ist der Grund, warum das leichtere Eis auf Wasser schwimmt und dadurch Tiere in tieferen Wasserschichten überleben können.

Warum das so ist, war auf molekularer Ebene bisher nicht verstanden. Physiker um Christoph Dellago von der Gruppe Computergestützte Physik der Universität Wien haben gemeinsam mit deutschen Kollegen herausgefunden, dass Van-der-Waals-Kräfte auf molekularer Ebene einen entscheidenden Beitrag zu dieser Dichte-Anomalie liefern.

Kräfte lassen Geckos an der Decke laufen
Van-der-Waals-Wechselwirkungen sind schwache Kräfte zwischen Atomen oder Molekülen, die mit zunehmender Entfernung rasch abnehmen. Am bekanntesten ist ihre Wirkung bei Geckos: Diese tragen an der Unterseite ihrer Füße Millionen feiner Haare, deren Spitzen sich in Hunderte Enden aufspalten. Diese Enden sind so winzig, dass zwischen den Molekülen der Haare und jenen der Oberfläche Van-der-Waals-Kräfte wirken und die Tiere selbst auf Fensterscheiben senkrecht laufen können.

In Wasser (H2O) beeinflussen die Van-der-Waals-Kräfte die sogenannten Wasserstoffbrücken, die zwischen den einzelnen H2O-Molekülen wirken, und sorgen so für den Dichteunterschied zwischen Eis und flüssigem Wasser bei vier Grad Celsius. "Das haben unsere aufwendigen Computersimulationen gezeigt, für die wir eine kumulierte Rechenzeit von mehreren Millionen Stunden am Hochleistungsrechner Vienna Scientific Cluster benötigt haben", sagte Dellago.

Wasserstoffbrücken bilden sich zwischen dem Wasserstoff-Atom eines Wassermoleküls und dem Sauerstoff-Atom eines anderen Wassermoleküls. Dabei liegt der Wasserstoff auf der positiv geladenen Seite des Moleküls und der Sauerstoff auf der negativ geladenen Seite - weshalb sich die Moleküle elektrostatisch anziehen.

Wasserstoffbrücken bei Eis stabiler und langlebiger
Solche Wasserstoffbrücken gibt es bei Wasser in flüssiger und fester Form bei jeder Temperatur. Sie werden aber aufgrund der thermischen Anregung bei steigender Temperatur schwächer und auch ständig neu gebildet und gebrochen. "In der Flüssigkeit haben die Brücken eine sehr kurze Lebensdauer von rund einer Picosekunde (ein Tausendstel einer Milliardstelsekunde, Anm.)", so Dellago. In Eis dagegen seien sie viel langlebiger und stabiler.

"Die Van-der-Waals-Kräfte führen dazu, dass das Wasserstoffbrücken-Netzwerk bei vier Grad Celsius gleichzeitig stark und doch flexibel ist", sagte Dellago. Dadurch wird Wasser bei Erwärmung zwischen null und vier Grad Celsius dichter, während sich üblicherweise jeder Körper ausdehnt, wenn er erhitzt wird.

Ermöglicht wurde die komplexe Berechnung durch eine effiziente Simulationsmethode, die auf künstlichen neuronalen Netzen basiert. "Das neue Verfahren ist ebenso präzise wie quantenmechanische Berechnungen, aber 100.000-mal schneller", so der Physiker.

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