Wasser reagiert sehr ungewöhnlich auf sehr niedrige Temperaturen. Beginnen wir mit der Tatsache, dass Wasser beim Abkühlen entgegen der Logik nicht schrumpft, sondern sich ausdehnt (deshalb hat Eis die Eigenschaft des Auftriebs). Kaltes Wasser ist weniger komprimierbar als heißes Wasser. Darüber hinaus können Wassermoleküle im gefrorenen Zustand ihre Position auf jede mögliche Weise ändern.
All dies ist schwer zu erklären, und die bestehenden Theorien sorgen in wissenschaftlichen Kreisen für heftige Kontroversen. Eine davon wurde vor fast drei Jahrzehnten formuliert und war, dass Eiswasser in zwei verschiedenen flüssigen Formen vorliegen kann, von denen eine eine weniger dichte Struktur aufweist. Mit anderen Worten, es gibt zwei Arten von Wasser, von denen jede eine separate Flüssigkeit ist. Es ist schwierig, diese Theorie in einem Labor zu beweisen, aber italienische Wissenschaftler haben es geschafft, Beweise zu finden, um sie zu verteidigen. Die Studie wurde kürzlich in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
In ihrer Studie schlagen die Wissenschaftler Pablo Debenedetti und Gul H. Zerze von der Princeton University und Francesco Shortico von La Sapienza in Rom vor, dass der "zweite kritische Punkt des Wassers" bei Temperaturen zwischen -83 und -100 Grad und bei fast 2000-mal höherem Luftdruck auftritt als der Druck über dem Meeresspiegel. Der kritische Punkt ist der einzige Temperatur- und Druckwert, bei dem zwei Phasen eines Stoffes nicht mehr zu unterscheiden sind, und dies geschieht unmittelbar bevor der Stoff von einer Phase in eine andere übergeht. Wasser hat zum Beispiel einen bekannten kritischen Punkt beim Übergang von Flüssigkeit zu Dampf.
"Stellen Sie sich unsere Freude vor, als wir sahen, dass kritische Schwankungen genau so verlaufen, wie wir es erwartet hatten", erklärt Sortino. "Jetzt kann ich ruhig schlafen, denn nach 25 Jahren hat meine Idee endlich Bestätigung gefunden."
Bisher konnten Experimente mit realen Wassermolekülen zum Testen des zweiten kritischen Punkts der "Unterkühlung" von Wasser keinen eindeutigen Beweis für seine Existenz liefern. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass eisiges Wasser normalerweise zu Eis wird, sagte Debenedetti.
Aus diesem Grund beschlossen die Forscher, auf Computermodelle zurückzugreifen. Der Prozess ist wirklich mühsam: Trotz der hohen Leistung moderner Supercomputer haben Wissenschaftler 18 Monate lang die notwendigen Berechnungen durchgeführt, um Modelle zu erstellen.
In Simulationen, als die Temperatur noch weit vom Gefrierpunkt entfernt war, begann die Dichte des Wassers stark zu schwanken. Infolgedessen gelang es den Wissenschaftlern, den kritischen Punkt, den sie suchten, in zwei verschiedenen Computermodellen für Wasser zu finden. Um den kritischen Punkt des Wassers in beiden Modellen zu finden, wurden gleichzeitig unterschiedliche Berechnungsansätze angewendet.
Wie beim Übergang von der flüssigen zur gasförmigen Phase kann sich Eiswasser in zwei verschiedene Phasen verwandeln, je nachdem, wie sich seine Moleküle neu anordnen. Somit sind in einer Flüssigkeit niedriger Dichte vier Moleküle um ein zentrales Molekül gruppiert, um ein Tetraeder zu bilden. In einer Flüssigkeit mit einer höheren Dichte kommt jedoch das sechste Molekül ins Spiel, was zu einer Erhöhung seiner Dichte führt.
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In ihrem Artikel schreiben die Forscher, dass "im Rahmen unserer Rechenkapazitäten die Existenz eines metastabilen kritischen Punktes im Stadium der Tiefkühlung von Wassermolekülen nachgewiesen wurde".
Natürlich muss diese Schlussfolgerung jetzt durch andere Experimente bestätigt werden, "unter Verwendung genauerer und teurerer Rechenmittel".