Forscher der EPFL haben eine Möglichkeit gefunden, Wasser im „Niemandsland“ zu untersuchen, einem Temperaturbereich unter Null, in dem Wasser schnell kristallisiert. In der Vergangenheit hat die Unfähigkeit, Zugang zum „Niemandsland“ zu erhalten, Wissenschaftler daran gehindert, die anomale Natur des Wassers zu entschlüsseln, doch die bahnbrechende Methode kann dies nun ändern.
Wasser ist eine der wesentlichsten und am weitesten verbreiteten Verbindungen auf der Erde. Es bedeckt über 70 % der Oberfläche des Planeten, hat seine Zusammensetzung und Geologie geprägt, reguliert sein Klima und seine Wetterverhältnisse und ist die Grundlage allen Lebens, wie wir es kennen.
Aber Wasser ist auch seltsam. Es weist eine Reihe anomaler Eigenschaften auf, von denen Wissenschaftler bisher über siebzig identifiziert haben. Mehrere Theorien versuchen, diese Anomalien zu erklären, ihre experimentelle Überprüfung ist jedoch schwierig. Einer der Gründe dafür ist, dass hierfür Wasser zwischen 160 K und 232 K (-113 °C bis -41 °C) untersucht werden müsste, ein berüchtigter Temperaturbereich, der als „Niemandsland“ bekannt ist und in dem Wasser so schnell kristallisiert, dass dies unmöglich war damit Wissenschaftler seine Eigenschaften untersuchen können.
Aber warum sollte jemand Wasser auf so niedrige Temperaturen abkühlen wollen? Denn wenn Wasser weit unter seinen Gefrierpunkt abgekühlt wird, wird es „unterkühlt“ und besitzt einzigartige und faszinierende Eigenschaften; Beispielsweise kann es unter bestimmten Bedingungen in flüssiger Form bleiben, aber bei Störungen oder Kontakt mit bestimmten Substanzen sofort gefrieren. Unterkühltes Wasser erhält man, indem man flüssiges Wasser unter den Gefrierpunkt abkühlt und dabei mit Tricks die Kristallisation verhindert oder diesen Prozess zumindest verlangsamt. Doch selbst mit diesen Tricks erfolgt die Kristallisation im „Niemandsland“ immer noch zu schnell.
„Ein Experiment zur systematischen Untersuchung der Wasserstruktur im sogenannten ‚Niemandsland‘ blieb jahrzehntelang unerreichbar“, sagt Professor Ulrich Lorenz von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften der EPFL. Jetzt haben Wissenschaftler um Lorenz einen Weg gefunden, genau das zu tun. Das Team entwickelte eine Methode, um tief unterkühltes Wasser bei einer genau definierten Temperatur schnell herzustellen und es mittels Elektronenbeugung zu untersuchen, bevor es kristallisieren kann.
„Wir haben immer noch nicht vollständig verstanden, warum Wasser eine anomale Flüssigkeit ist, obwohl dieses Thema seit über vierzig Jahren heiß diskutiert wird“, sagt Lorenz. „Die Antwort scheint im ‚Niemandsland‘ zu liegen.“ Aufgrund der schnellen Kristallisation war jedoch keine Messung über den gesamten Temperaturbereich möglich. Wir machen das zum ersten Mal. Dies bringt uns der Lösung dieses seit langem bestehenden Rätsels näher.“
Die Wissenschaftler führten die Experimente mit einem speziellen zeitaufgelösten Elektronenmikroskop durch, das sie speziell in ihrem Labor gebaut hatten. Sie bereiteten das unterkühlte Wasser bei einer genau definierten Temperatur vor und untersuchten es direkt vor der Kristallisation. Dazu kühlten sie eine Graphenschicht auf 101 K ab und lagerten einen dünnen Film aus amorphem Eis ab. Anschließend schmolzen sie den Film lokal mit einem Mikrosekunden-Laserpuls, um Wasser im „Niemandsland“ zu erhalten, und erfassten ein Beugungsmuster mit einem intensiven, hochhellen Elektronenpuls.
Die Forscher fanden heraus, dass sich die Struktur des Wassers reibungslos weiterentwickelt, wenn es von Raumtemperatur auf kryogene Temperaturen abgekühlt wird. Bei Temperaturen knapp unter 200 K (etwa -73 °C) beginnt die Struktur von Wasser wie die von amorphem Eis auszusehen – einer Form von Eis, bei der sich die Wassermoleküle in einem ungeordneten Zustand befinden – im Gegensatz zum ordentlichen kristallinen Eis, das wir normalerweise kennen .
„Die Tatsache, dass sich die Struktur reibungslos entwickelt, ermöglicht es uns, die Bandbreite möglicher Erklärungen für die Entstehung von Wasseranomalien einzugrenzen“, sagt Lorenz. „Unsere Erkenntnisse und die von uns entwickelte Methode bringen uns der Entschlüsselung der Geheimnisse des Wassers näher. Es ist schwer, sich der Faszination dieser allgegenwärtigen und scheinbar einfachen Flüssigkeit zu entziehen, die noch immer nicht alle ihre Geheimnisse preisgegeben hat.“
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Constantin R. Krüger et al, Elektronenbeugung von tief unterkühltem Wasser im Niemandsland, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38520-7