Rätselhaftes H2O

Wasser könnte aus zwei Flüssigkeiten bestehen

Künstlerische Darstellung der beiden zähflüssigen Formen von Wasser vor einem Röntgenbeugungsbild

(Bild: Mattias Karlén)

Das Verhalten von Wasser stellt die Wissenschaft immer noch vor Rätsel. Innsbrucker Forscher haben nun zusammen mit Kollegen aus Schweden und Deutschland die Beobachtung gemacht, dass es bei ungefähr minus 140 Grad Celsius seine Beschaffenheit abrupt ändert. Man müsse gar von zwei verschiedenen Flüssigkeiten sprechen, wie Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck erklärte.

Mittlerweile kennt man Dutzende Eigenschaften, in denen sich Wasser von fast allen anderen Flüssigkeiten unterscheidet. Die bekannteste davon ist die Dichteanomalie: Wasser hat seine höchste Dichte bei Normaldruck bei vier Grad Celsius. Deshalb frieren Seen von der Oberfläche her zu, das leichtere Eis schwimmt auf dem Wasser.

Zwei seltsame, eisige Festkörper
Seit 1984 ist bekannt, dass Wasser bei sehr niedrigen Temperaturen eine niederdichte (LDA) und eine hochdichte amorphe Eis-Form (HDA) einnehmen kann. Dabei handelt es sich um zwei Festkörper, in denen die Atome unregelmäßig angeordnet sind, im Gegensatz zur Anordnung in Kristallen. Im Jahr 2013 hat ein Team um Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck erstmals experimentelle Hinweise dafür geliefert, dass für beide amorphe Festkörper "bei tiefen Temperaturen ein Übergang von einem amorphen, glasartigen Material in eine Flüssigkeit, die noch zähflüssiger als Honig ist, stattfinden kann". Das wurde bereits 1992 theoretisch vorhergesagt.

Es zeigte sich, dass sich die Moleküle in dem Temperaturbereich um minus 150 Grad relativ schnell zu bewegen beginnen. "Das ist etwas, was man bei so tiefen Temperaturen eigentlich nicht kennt", sagte der Forscher. Mit herkömmlichen Methoden konnte jedoch nicht herausgefunden werden, ob sich die Moleküle quasi einfach an ihrem festen Platz zu drehen oder wirklich - wie bei einer Flüssigkeit - zu wandern beginnen. Drehen sich die Moleküle nur, so handelt es sich um eine "Rotor-Phase", die weder als fest noch als flüssig eingestuft werden kann, ähnlich sogenannten plastischen Kristallen oder Flüssigkristallen. Wandern die Moleküle jedoch, handelt es sich um echte Flüssigkeiten.

Was passiert, wenn es weniger kalt wird?
Für ihre aktuelle, im Fachjournal "PNAS" veröffentlichte Studie nahm sich das Team dieser Frage mit einer anderen Methode an. Gemeinsam mit den Kollegen der Universität Stockholm untersuchten sie stark unterkühltes Wasser mit Hilfe eines extrem gebündelten Röntgenstrahls am deutschen Großforschungszentrum DESY in Hamburg. Mit der Kleinwinkel-Röntgenstreuung lässt sich nämlich die Bewegung von Molekülen in einer Probe feststellen.

Der Messplatz am DESY in Hamburg

(Bild: Universität Innnsbruck)

Die in Innsbruck hergestellten Proben aus hochdichtem amorphem Eis wurden dann bei verschiedenen Temperaturen bestrahlt: Bei minus 200 Grad zeigte die Struktur noch kaum Bewegung. Das änderte sich jedoch ab ungefähr minus 163 Grad Celsius. "Aus der Analyse der Daten konnten wir als Bewegungsraum eines Moleküls 50 Nanoquadratmeter pro Sekunde bestimmen, was für ein Molekül eine sehr große Fläche ist. Das ist typisch für eine zähe Flüssigkeit", so Lörting.　

Probe wird um 25 Prozent plötzlich voluminöser
Je wärmer das Wasser wurde, desto schneller wurde die Bewegung und bei knapp minus 140 Grad Celsius "verändert sich die Probe plötzlich massiv. Die Atome ordnen sich um und die Probe wird um 25 Prozent voluminöser bzw. die Dichte nimmt um 25 Prozent ab", sagte der Wissenschafter. Es findet also der Übergang vom hochdichten zum niederdichten Zustand statt. Zudem erkannten die Forscher auch im niederdichten Zustand, dass die Wassermoleküle wandern, und nicht nur rotieren.

"Das ist für uns der erste, fast unumstößliche Beweis, dass es tatsächlich einen Übergang zwischen zwei verschiedenen Flüssigkeiten von Wasser gibt, die sich durch die Dichte unterscheiden", erklärte Lörting. Das kenne man zwar von verschiedenen Flüssigkeiten wie etwa einer Kombination von Wasser und Öl. Dass das aber auch im Zusammenhang mit lediglich Wasser gelten könnte, ist laut dem Forscher "ganz neu. Weil es so unglaublich klingt, gibt es aber auch viele Zweifler und viel Widerstand".

Besteht Leitungswasser aus zwei Komponenten?
Trifft es jedoch tatsächlich zu, würden die beiden verschiedenen Zustände auch im Leitungswasser vorliegen. Bei Raumtemperatur bewegen sich die Moleküle jedoch so schnell, dass die beiden Erscheinungsformen nicht mehr unterscheidbar wären. Lörting: "Das könnte erklären, warum Wasser so eigenartige Eigenschaften zeigt." Demnach würde beispielsweise bei der Anomalie mit dem Dichtemaximum um vier Grad Celsius der Anteil des hochdichten Zustandes ansteigen.