Wissenschaftler haben gerade einen verborgenen kritischen Punkt im Wasser entdeckt, direkt bevor es gefriert
Als Wasser kälter wird, wird sein Verhalten aus physikalischer Sicht immer seltsamer, und Forscher, die nach Erklärungen suchen, haben etwas Neues entdeckt: einen zuvor verborgenen „kritischen Punkt“, der in unterkühltem Wasser auftritt, das nicht gefriert.
Durch eine Vielzahl von Druck‑ und Temperaturtricks können Wissenschaftler Wasser weit unter dem normalen Gefrierpunkt in flüssiger Form halten. Frühere Studien haben theoretisiert, dass Wasser in diesem speziellen Zustand in zwei unterschiedliche Phasen zerfällt – sowohl eine hochdichte Flüssigkeit als auch eine niedrigdichte Flüssigkeit.
In dieser neuen Studie hat ein internationales Forscherteam direktw evidence für diesen Flüssig‑zu‑Flüssig‑Zustand gewonnen sowie einen kritischen Punkt, jenseits dessen sich Wasser in einen einzigen, aber volatilen Zustand hinsichtlich seiner molekularen Struktur verändert.
Einen vernünftigen Blick auf diese Wasserzustände zu bekommen, hat sich als schwierig erwiesen, weil sie direkt an der Grenze zwischen dem Gefrieren von Wasser und der Bildung von Eis existieren. Es wurde als „Niemandsland“ beschrieben, wenn man versucht, richtige Messungen zu erhalten.
„Was besonders war, ist, dass wir unglaublich schnell Röntgenaufnahmen machen konnten, bevor das Eis gefror, und beobachten konnten, wie der Flüssig‑zu‑Flüssig‑Übergang verschwindet und ein neuer kritischer Zustand entsteht“, sagt der chemische Physiker Anders Nilsson von der Universität Stockholm in Schweden.
„Seit Jahrzehnten gibt es Spekulationen und verschiedene Theorien, um diese bemerkenswerten Eigenschaften zu erklären, und eine Theorie war die Existenz eines kritischen Punkts. Nun haben wir herausgefunden, dass ein solcher Punkt existiert.“
Das schnelle Erhitzen (durch Infrarotlaser) und super schnelle Schnappschüsse (durch Röntgenlicht) waren entscheidend für die Experimente, die hier durchgeführt wurden. Die von den Forschern erzeugten Eisproben wurden durch den Flüssig‑zu‑Flüssig‑Zustand, über den kritischen Punkt und in den fluktuierenden Zustand gedrückt, während Beobachtungen auf den winzigsten Zeitskalen gemacht wurden.
Während der genaue kritische Punkt noch zu finden ist, schränkt diese Studie die Grenzen erheblich ein. Die Forscher glauben, dass er sich ungefähr bei −63 °C und 1000 Atmosphären Druck befindet, was bei weiteren Untersuchungen helfen wird.
Außerdem scheint der kritische Punkt einem Schwarzen Loch ähnlich zu sein. Je näher Wasser ihm kommt, desto langsamer werden die Dynamiken des Systems, und strukturelle Veränderungen dauern viel länger. Dies macht es unmöglich für die Flüssigkeit, der Übergangsphase zu entkommen.
Diese Entdeckungen mögen abstrakt erscheinen und nur für Physiker von Interesse sein, aber sie erweitern tatsächlich unser Verständnis davon, wie Wasser auf fundamentaler Ebene funktioniert (und warum es sich so merkwürdig verhalten kann). Sie haben Auswirkungen auf fast alles, woran Wasser auf unserem Planeten und darüber hinaus beteiligt ist.
„Forscher, die die Physik des Wassers untersuchen, können sich jetzt auf das Modell einigen, dass Wasser im unterkühlten Bereich einen kritischen Punkt hat“, sagt Nilsson.
„Die nächste Phase besteht darin, die Auswirkungen dieser Ergebnisse auf die Bedeutung des Wassers in physikalischen, chemischen, biologischen, geologischen und klimabezogenen Prozessen zu finden.“