Es gibt zwei deutlich unterschiedliche Flüssigkeitszustände von Wasser, die beide aus H2O-Molekülen bestehen

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Mit Hilfe von Röntgenlasern konnten Forscher der Universität Stockholm die Umwandlung zwischen zwei deutlich unterschiedlichen Flüssigkeitszuständen von Wasser verfolgen, die beide aus H2O-Molekülen bestehen.

Bei etwa -63 Grad Celsius existieren die beiden Flüssigkeiten in unterschiedlichen Druckregimen mit einem Dichteunterschied von 20%.

Durch die schnelle Veränderung des Drucks, bevor die Probe gefrieren konnte, war es möglich, den Wechsel von einer Flüssigkeit in die andere in Echtzeit zu beobachten.

Ihre Ergebnisse sind in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Wasser, das auf der Erde häufig vorkommt und für das Leben notwendig ist, verhält sich im Vergleich zu anderen Substanzen sehr merkwürdig. Wie die Eigenschaften von Wasser wie Dichte, spezifische Wärme, Viskosität und Kompressibilität auf Änderungen von Druck und Temperatur reagieren, ist völlig entgegengesetzt zu anderen Flüssigkeiten, die wir kennen.

Daher wird Wasser oft als “anomal” bezeichnet. Hätte sich Wasser wie eine “normale Flüssigkeit” verhalten, gäbe es uns nicht, da sich kein marines Leben hätte entwickeln können. Es bleibt jedoch eine offene Frage: Was verursacht diese Anomalien?

Es gibt eine Reihe von Erklärungen für die seltsamen Eigenschaften des Wassers, und eine davon schlägt vor, dass Wasser die Fähigkeit hat, als zwei verschiedene Flüssigkeiten bei unterschiedlichem Druck und bei niedrigen Temperaturen zu existieren.

Wenn wir die beiden Flüssigkeiten in einem Glas halten könnten, würden sie sich mit einer klaren Grenzfläche dazwischen trennen, wie bei Wasser und Öl (siehe Abbildung). Gewöhnliches Wasser bei unseren Umgebungsbedingungen ist nur eine Flüssigkeit und in einem Glas wäre keine Grenzfläche zu sehen – aber auf molekularer Ebene fluktuiert es und erzeugt kleine lokale Regionen mit ähnlicher Dichte wie die beiden Flüssigkeiten, was das seltsame Verhalten des Wassers verursacht.

Die Herausforderung bestand darin, dass bisher kein Experiment bei den Temperaturen möglich war, bei denen die beiden Flüssigkeiten koexistieren würden, da sich fast augenblicklich Eis bilden würde. Bisher war es nur möglich, Wasser unter diesen Bedingungen mit verschiedenen Arten von Computersimulationen zu untersuchen, was je nach verwendetem Modell zu sehr widersprüchlichen Ergebnissen geführt hat.
“Das Besondere war, dass wir unvorstellbar schnell röntgen konnten, bevor das Wasser gefror, und beobachten konnten, wie sich eine Flüssigkeit in die andere verwandelte”, sagt Anders Nilsson, Professor für chemische Physik an der Universität Stockholm. “Seit Jahrzehnten gibt es Spekulationen und verschiedene Theorien, um diese anomalen Eigenschaften zu erklären und warum sie stärker werden, wenn das Wasser kälter wird. Jetzt haben wir herausgefunden, dass die beiden Flüssigkeitszustände real sind und die Seltsamkeit des Wassers erklären können.”
“Ich habe lange Zeit verschiedene Formen von ungeordneten Eiskörpern untersucht, mit dem Ziel, herauszufinden, ob sie als glasartige Zustände angesehen werden können, die eine gefrorene Flüssigkeit darstellen”, sagt Katrin Amann-Winkel, Senior Researcher in Chemical Physics an der Universität Stockholm. “Es ist ein wahrgewordener Traum, zu sehen, dass sie tatsächlich echte Flüssigkeiten darstellen und wir die Umwandlung zwischen ihnen sehen.”
“Wir haben mehrere Jahre lang hart daran gearbeitet, Messungen von Wasser unter solch niedrigen Temperaturbedingungen durchzuführen, ohne dass es gefriert, und es ist so befriedigend, das Ergebnis zu sehen”, sagt Harshad Pathak, Forscher in der Chemischen Physik an der Universität Stockholm. “Es wurden schon viele Versuche auf der ganzen Welt unternommen, um nach den beiden Flüssigkeiten zu suchen, indem man Wasser in winzige Kompartimente steckte oder es mit anderen Verbindungen mischte, aber hier konnten wir es einfach als reines Wasser verfolgen.”
“Ich frage mich, ob die beiden Flüssigkeitszustände als Fluktuationen ein wichtiger Bestandteil der biologischen Prozesse in lebenden Zellen sein könnten”, sagt Fivos Perakis, Assistenzprofessor für chemische Physik an der Universität Stockholm. “Das neue Ergebnis kann viele neue Forschungsrichtungen auch über Wasser in den biologischen Wissenschaften eröffnen.”
“Vielleicht ist eine der flüssigen Formen für Wasser in kleinen Poren in Membranen, die zur Entsalzung von Wasser verwendet werden, wichtiger”, sagt Marjorie Ladd Parada, Postdoc an der Universität Stockholm. “Ich denke, dass der Zugang zu sauberem Wasser eine der größten Herausforderungen des Klimawandels sein wird.”
“Seit den frühen Arbeiten von Wolfgang Röntgen gibt es seit über einem Jahrhundert eine intensive Debatte über den Ursprung der seltsamen Eigenschaften von Wasser”, erklärt Anders Nilsson weiter. “Forscher, die sich mit der Physik des Wassers beschäftigen, können sich nun auf das Modell einigen, dass Wasser als zwei Flüssigkeiten im unterkühlten Regime existieren kann.

Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, ob es einen kritischen Punkt gibt, an dem die beiden Flüssigkeiten übergehen und zu einer einzigen Flüssigkeit werden, wenn sich der Druck und die Temperatur ändern.

Das ist eine große Herausforderung für die nächsten Jahre.”
Für mehr zu dieser Entdeckung lesen Sie Forscher beweisen, dass Wasser mehrere Flüssigkeitszustände mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften hat.
Referenz: “Experimental observation of the liquid-liquid transition in bulk supercooled water under pressure” von Kyung Hwan Kim, Katrin Amann-Winkel, Nicolas Giovambattista, Alexander Späh, Fivos Perakis, Harshad Pathak, Marjorie Ladd Parada, Cheolhee Yang, Daniel Mariedahl, Tobias Eklund, Thomas. J. Lane, Seonju You, Sangmin Jeong, Matthew Weston, Jae Hyuk Lee, Intae Eom, Minseok Kim, Jaeku Park, Sae Hwan Chun, Peter H. Poole und Anders Nilsson, 20 November 2020, Science.DOI: 10.112

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