Mittwoch, 9. Oktober 2013

Wasser kann selbst bei Tiefsttemperaturen von -157 Grad flüssig sein


Symbolbild: Eis (Illu.). | Copyright: grewi.de

Innsbruck (Österreich) - Allgemein gelten Null Grad Celsius als jene Temperatur, bei der gewöhnliches Frischwasser zu gefrieren beginnt. Dass Wasser aber noch bei deutlich niedrigeren Temperaturen flüssig sein kann, haben Forscher nun experimentell nachgewiesen und einen neuen Tiefsttemperaturrekord für flüssiges Wasser aufgestellt. Die überraschende Erkenntnis wirft auch ein neues Licht auf die Frage, wie organische Verbindungen oder gar Leben im Weltall entstehen können.

Wie die Forschungsgruppe um Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck und den Physiker Roland Böhmer von der TU Dortmund aktuell im Fachjournal "Proceedings of the National Academy of Sciences" (DOI: 10.1073/pnas.1311718110) berichten, stellten sie unter hohem Druck und bei sehr tiefen Temperaturen hochdichtes, sogenanntes amorphes Eis her.

Im Gegensatz zu kristallinem Eis sind die Wassermoleküle in amorphem Eis unregelmäßig angeordnet, wodurch es flüssigem Wasser sehr ähnlich ist - quasi die erstarrte Form von fließendem Wasser. Im Weltall kommt Eis fast ausschließlich in der amorphen Form vor, während es auf der Erde immer als kristallines Eis vorliegt.


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"Wir entspannen das amorphe Eis, damit es in den Gleichgewichtszustand kommt", erklärt Lörting. "Dann erwärmen wir es sehr langsam im Vakuum oder bei Umgebungsdruck und überprüfen, bei welcher Temperatur es sich verflüssigt."

"Flüssig" definieren die Wissenschaftler einen Zustand, in dem der Stoff nach einer Störung innerhalb von höchstens 100 Sekunden in seinen Gleichgewichtszustand zurückkehrt, also "relaxiert".

Die Forscher haben die Messungen zunächst mit einem Kalorimeter durchgeführt und kamen zu dem überraschenden Ergebnis, dass das hochdichte, amorphe Eis bereits bei rund minus 157 Grad Celsius (116 Kelvin) vom erstarrten in den flüssigen Zustand übergeht. "Es handelt sich dabei um eine hochviskose Flüssigkeit, die zäher als Honig ist", beschreibt Thomas Lörting das tief unterkühlte Wasser. Bei -148 Grad Celsius (125 K) relaxiert das hochdichte, flüssige Wasser innerhalb von einer Sekunde, wie Messungen mittels dielektrischer Spektroskopie an der Technischen Universität Dortmund zeigen. "Wasser kann unter Umgebungsdruck oder Vakuum oberhalb von -157 Grad Celsius in flüssiger Form auftreten", freut sich Thomas Lörting über diesen Durchbruch. Es handelt sich bereits um den zweiten, sogenannten Glasübergang, der an der Universität Innsbruck für Wasser gefunden wurde. Schon vor 30 Jahren hatte der inzwischen verstorbene Chemiker Erwin Mayer an der Universität Innsbruck den Glasübergang von niederdichtem, amorphem Eis bei -137 Grad Celsius gefunden.

Diese neue Entdeckung, so spekulieren die Wissenschaftler nun, könnte für unser Verständnis der Evolution von Molekülen und womöglich auch die Frage nach der Entstehung von Leben im Weltall von Bedeutung sein. Denn flüssiges Wasser gilt gemeinhin als das Lösungsmittel für chemische Reaktionen schlechthin, als Geburtsstätte der Moleküle des Lebens. Wenn Wasser bei sehr viel tieferen Temperaturen als bisher angenommen flüssig auftritt, werfe das ein neues Licht auf diesen Prozess.

Auch kann die aktuelle Arbeit neue Ansatzpunkte für die Erklärung der vielen anormalen Eigenschaften des Wassers liefern. In nächsten Schritten wollen die Forscher nun das zähflüssige Wasser genauer untersuchen und dessen Eigenschaften näher charakterisieren. "Wir wollen wissen, wie sich andere Stoffe in diesem Wasser lösen lassen und wie die um ein Viertel höhere Dichte des Wassers die Reaktionsfähigkeit verändert. Hier öffne sich uns ein neues Forschungsfeld, das Arbeit für weitere 30 Jahre liefere.

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