Robert Klatt
Wasser besitzt physikalische Eigenschaften, die sich stark von anderen Flüssigkeiten unterscheiden. Nun wurde entdeckt, dass die hochdichte und die niedrigdichte Flüssigkeit von supergekühltem Wasser unter bestimmten Bedingungen verschmelzen können. Wasser hat also wohl einen zweiten „kritischen Punkt“.
Stockholm (Schweden). Thomas Andrews hat bereits 1869 einen hochtemperatur-kritischen Punkt des Wassers beschrieben. Inzwischen hat die Physik belegt, dass der Unterschied zwischen flüssigem Wasser und Wasserdampf bei einer Temperatur von 374 Grad Celsius und dem 218-fachen des normalen Luftdrucks verschwindet und Wasser nur noch als superkritisches Fluid existiert.
In der Wissenschaft existiert zudem seit Langem die These, dass in supergekühltem Wasser, also Wasser, das unterhalb seines normalen Gefrierpunkts flüssig bleibt, ein zweiter „kritischer Punkt“ existiert. Es gibt diese Annahme, weil Wasser ungewöhnliche Eigenschaften besitzt. Flüssigkeiten werden normalerweise dichter, wenn ihre Temperatur sinkt. Bei Wasser erreicht die Dichte ihr Maximum aber schon bei vier Grad Celsius. Wenn Wasser weiter abkühlt, sinkt die Dichte ab. Die Wärmekapazität von Wasser, also die Energie, die erforderlich ist, um es zu erhitzen, verhält sich ähnlich.
2000 haben Physiker Indizien dafür entdeckt, dass supergekühltes Wasser als hochdichte und als niedrigdichte Flüssigkeit existieren kann. Sie gingen davon aus, dass die beiden flüssigen Zustände sich am kritischen Punkt vereinen, konnten dies aber nicht untersuchen, weil Experimente mit supergekühltem Wasser sehr komplex sind.
Forscher der Universität Stockholm (SU) haben deshalb ein neues Experiment entwickelt, bei dem sie amorphes Eis nutzen. Es handelt sich dabei um eine spezielle Eisart, deren Moleküle ungeordnet sind und keine regelmäßige Kristallstruktur bilden. Das Experiment wurde am Pohang Accelerator Laboratory (PAL) der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) in Südkorea durchgeführt. Es wurden dabei kleine Eisproben mit Impulsen eines Infrarotlasers geschmolzen. Die geschmolzenen Proben wurden dann innerhalb von Nanosekunden mit einem Röntgenlaser analysiert. Diese hohe Geschwindigkeit ermöglicht es, die Struktur und Dichte des Wassers bei unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen zu ermitteln.
Laut dem Experiment ist es sehr wahrscheinlich, dass Wasser bei einer Temperatur von – 63 Grad Celsius und einem Druck, der etwa dem Tausendfachen des Atmosphärendrucks auf Meereshöhe entspricht, einen kritischen Punkt erreicht, bei dem die hochdichte und niedrigdichte Flüssigkeit zu einer Flüssigkeit verschmelzen. Die Analyse geht dabei davon aus, dass Materie- und Energieflüsse innerhalb der Flüssigkeit stabil sind, diese sich also im Gleichgewicht befindet. Weil die Messungen extrem schnell erfolgen müssen, kann aber nicht zweifelsfrei belegt werden, ob sich die Flüssigkeit im Gleichgewicht befindet.
Quellen:
Pressemitteilung der Universität Stockholm (SU)
Studie im Fachmagazin Science, doi: 10.1126/science.aec0018
