Bildet Schichten

Tiroler Forscher lösen Rätsel um eiskaltes Wasser

Ein lange für unergründlich gehaltenes Rätsel haben Wissenschaftler der Universität Innsbruck nun gelöst: Unterkühltes Wasser kann sich unter bestimmten Bedingungen bei minus 138 Grad Celsius aus zwei unterschiedlich dichten Flüssigkeiten zusammensetzen. Diese verhalten sich dann wie Wasser und Öl: Sie entmischen sich und bilden zwei Schichten.

Wasser ist ein besonderer Stoff und birgt viele Geheimnisse. So kennt man mittlerweile über 60 Eigenschaften, in denen sich Wasser von fast allen anderen Flüssigkeiten unterscheidet. Eine der bekanntesten dieser Eigenschaften ist die sogenannte Dichteanomalie des Wassers. 

Bei fast allen Substanzen nimmt die Dichte mit abnehmender Temperatur stetig zu. Wasser dagegen hat seine höchste Dichte bei Normaldruck bei vier Grad Celsius. Das ist auch der Grund, warum Seen und Flüsse von der Oberfläche her zufrieren, das leichtere Eis schwimmt auf dem Wasser.

Unterkühltes Wasser besteht aus zwei Flüssigkeiten
Sehr sauberes Wasser kann aber über den klassischen Gefrierpunkt von null Grad Celsius auch stark unterkühlt werden. "Je tiefer es unterkühlt wird, desto ausgeprägter werden seine anomalen Eigenschaften", so Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck in einer Aussendung der Uni. 

So kann es bei Temperaturen um minus 137 Grad Celsius aus zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten bestehen - ein Umstand, der bereits in den 1980er-Jahren aufgrund experimenteller Beobachtungen vermutet wurde. Die Theorie blieb allerdings lange umstritten, weil sie in der Praxis nicht direkt nachweisbar war. Dies ist nun aber den Innsbrucker Wissenschaftlern gelungen.

Unterkühltes Wasser hat eine starke Tendenz in der uns bekannten Form zu gefrieren, also zu kristallisieren. Um es zu untersuchen, mussten es die Forscher aber in einer festen Form bringen, die nicht aus Eiskristallen besteht, sondern die molekulare Struktur der flüssigen Form behält. Da das Wasser in einem kleinen Zylinder unter einer Hochdruckpresse gekühlt wird und nicht direkt beobachtet werden kann, mussten die Forscher ein neues Verfahren für ihre Messung entwickeln. 

Erstmals Phasenübergang gemessen
Sie beobachteten, wie lange es dauert, bis das hochdichte Wasser bei einer bestimmten Temperatur ins Gleichgewicht kommt und einen Ruhezustand einnimmt. Substanzen gelten dann als flüssig, wenn dies innerhalb von 100 Sekunden geschieht. Während dies bei minus 163 Grad Celsius viele Tage dauert, sind es bei minus 138 Grad nur mehr wenige Minuten. Das Wasser ist dann zwar fest, aber nicht gefroren. "Dieser Phasenübergang wurde bisher noch von niemandem direkt gemessen. Gemeinsam mit früheren Ergebnissen liefert uns dies einen klaren Hinweis auf die Existenz von zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten von Wasser", ist Lörting stolz. 

"Dabei zeigte sich, dass es abhängig vom Umgebungsdruck zwei unterschiedliche Formen von festem Wasser gibt, eine mit niedriger Dichte und eine hochdichte Form", so Lörting. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die niedrig- und hochdichte Form sich wie Wasser und Öl verhalten. Sie entmischen sich und bilden zwei Schichten. Die Wissenschaftler haben dazu theoretische und experimentelle Arbeiten in Fachzeitschriften veröffentlicht, darunter "Nature Scientific Reports" und "Physical Review Letters".