Zweiflüssigkeitsmodell

Wasser besteht aus zwei Flüssigkeiten

Robert Klatt

Experimente haben starke Belege für das Zweiflüssigkeitsmodell von Wasser erbracht. Dies könnte auch die Dichteanomalie erklären.

Innsbruck (Österreich). Wasser unterscheidet sich in vielen Eigenschaften von den meisten anderen Flüssigkeiten. Besonders auffällig ist dabei die Dichteanomalie, die dafür sorgt, dass Wasser bei Normaldruck nicht als Eis, sondern bei einer Temperatur von vier Grad Celsius seine höchste Dichte hat. Die Physik existiert deshalb die These, dass Wasser aus zwei unterschiedlich dichten Flüssigkeiten besteht. Dies konnte bisher aber nicht experimentell belegt werden.

Wissenschaft vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck haben nun einen weiteren starken Hinweis für dieses Zweiflüssigkeitsmodell geliefert. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin PNAS gelang es dem Team um Thomas Lörting zwei Formen von glasartigem Wasser experimentell nachzuweisen.

Kristalline und amorphe Zustände von Wasser

In der Natur existiert Wasser als einzige Substanz im festen, flüssigen und gasförmigen Zustand. Auf der Erdoberfläche kommt Eis nur in einer Form (Eis I) vor. Daneben gibt es aber noch zahlreiche andere Formen wie das kürzlich im Labor erzeugte Eis XVI. Außerdem existiert Wasser in noch zahlreichen kristallinen und amorphen Formen, die sich unter besonderen Umständen wie niedrigen Temperaturbereichen und hohem Druck bilden.

Eine dieser Unterarten der amorphen Feststoffe sind Gläser. Diese bilden sich durch schnelles Abkühlen einer Flüssigkeit, die dabei erstarrt aber ihre ungeordnete mikroskopische Struktur beibehält. In den Experimenten haben die Forscher um Lörting nun erstmals belegt, dass Glas aus Wasser bei hohem Druck in eine andere Glasform übergeht. Die beiden Formen unterscheiden sich durch ihre Materialeigenschaften und ihre mikroskopische Struktur.

Abkühlung in wenigen Mikrosekunden

Damit Wasser beim Abkühlen nicht zu Eis wird, sondern zu Glas kristallisiert, muss dieser Prozess plötzlich ablaufen. „Mit einer von uns in jahrelanger Arbeit entwickelten und verbesserten Apparatur gelingt es, das Wasser von ein paar Grad plus auf minus 196 Grad Celsius, also um rund 200 Grad Celsius, in nur 20 Mikrosekunden abzukühlen“, erklärt Lörting. Anschließend wird das glasartige Wasser in einer gekühlten Hochdruckzelle einem Druck von mehr als 10.000 Atmosphären ausgesetzt. Dies sorgt für eine plötzliche Verdichtung zur zweiten, zuvor unbekannten Glasform. Bestätigt wurde dies durch Analysen mit Röntgenstrahlen.

Laut Lörting ist dies "die erste eindeutige experimentelle Bestätigung für die Existenz von zwei Gläsern aus Wasser". Laut dem Team handelt es sich dabei um einen „sehr starken Hinweis auf das Zweiflüssigkeitsmodell, wenn nicht gar einen Beweis.“ Zuvor wurde dieses Verhalten von Wasser lediglich durch Computersimulationen ermittelt. „Wenn wir wissen, dass Wasser aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten besteht, kann uns das helfen, die erstaunlichen und einzigartigen Eigenschaften von Wasser zu beschreiben“, erklärt Lörting.

PNAS, doi: 10.1073/pnas.2108194118

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