Wissenschaftler der Universität Bristol in Großbritannien und der Universität Tokio in Japan haben die anomalen Eigenschaften von Wasser erklärt, das es beim Abkühlen und Gefrieren aufweist. Zu diesem Zweck haben die Forscher mithilfe der Computermodellierung Änderungen an der Struktur des H2O-Moleküls vorgenommen und ihm neue Funktionen verliehen. Dies wird von Science Alert gemeldet.
Normalerweise werden Flüssigkeiten mit abnehmender Temperatur dichter, aber Wasser erreicht seine maximale Dichte bei vier Grad Celsius. Unterhalb dieses Punktes nimmt die Dichte wieder ab, wodurch Eis auf der Oberfläche von Gewässern schwimmt. Darüber hinaus hat Wasser eine hohe Oberflächenspannung, die der flüssigen Form von Quecksilber einen hohen Siedepunkt verleiht und ein gutes Lösungsmittel ist.
Solche physikalischen Eigenschaften werden durch das Vorhandensein von Wasserstoffbrücken erklärt, die sich zwischen Wassermolekülen bilden. Letztere verbinden sich miteinander und bilden einen Tetraeder (dreieckige Pyramide).
Wissenschaftler haben einen Supercomputer verwendet, um verschiedene Modelle der molekularen Struktur von Wasser zu erstellen. Dazu variierten sie den als Stillinger-Weber-Potential bezeichneten Parameter λ, mit dem die physikalischen Eigenschaften von Substanzen mit einer tetraedrischen Anordnung von Molekülen beschrieben werden. Die Forscher verfolgten, wie sich Änderungen des Potentials auf die Dichte einer Substanz und die Anzahl der chemischen Bindungen zwischen Atomen auswirken (ein Zwei-Zustands-Modell). Dies ermöglichte es zu berechnen, bei welchen Werten von λ sich die anomalen Eigenschaften von Wasser manifestieren.
Es stellte sich heraus, dass mit zunehmendem Stillinger-Weber-Potential die mit der Dichte verbundenen anomalen Eigenschaften von Wasser schwächer werden. Infolgedessen verschiebt sich die maximale Dichte in Richtung des Flüssig-Eis-Phasenübergangs, und die feste Form von Wasser verliert ihren Auftrieb. Wenn λ abnimmt, werden auch die vom Zwei-Zustands-Modell vorhergesagten Eigenschaften schwächer.