Eis ist viel komplizierter, als die meisten von uns glauben. Der Wissenschaft sind über 20 verschiedene Eisarten bekannt, die sich unter verschiedenen Druck- und Temperaturkombinationen bilden. Die Art, die wir zum Kühlen unserer Getränke verwenden, heißt Eis I und ist eine der wenigen Eisarten, die auf der Erde natürlich vorkommen.
Forscher aus Japan haben kürzlich eine andere Art von Eis entdeckt: Eis 0, eine ungewöhnliche Eisform, die in unterkühltem Wasser die Bildung von Eiskristallen auslösen kann.
Die Bildung von Eis in der Nähe der Oberfläche von flüssigem Wasser kann von winzigen Kristallvorläufern ausgehen, deren Struktur einer seltenen Eisart ähnelt, die als Eis 0 bezeichnet wird.
In einer Studie veröffentlicht in Naturkommunikation, Forscher der Abteilung für Sozialkooperationsforschung „Frostschutzwissenschaft“ am Institut für Industriewissenschaften der Universität Tokio zeigten, dass diese Eis-O-ähnlichen Strukturen dazu führen können, dass ein Wassertropfen eher an seiner Oberfläche als in seinem Kern gefriert. Diese Entdeckung löst ein seit langem bestehendes Rätsel und könnte dazu beitragen, unser Verständnis der Eisbildung neu zu definieren.
Die Kristallisation von Eis, auch Eisbildung genannt, geschieht normalerweise heterogen, also an einer festen Oberfläche. Normalerweise geschieht dies an der Oberfläche eines Wasserbehälters, wo Flüssigkeit auf Feststoff trifft.
Diese neue Forschung zeigt jedoch, dass Eiskristallisation auch direkt unter der Wasseroberfläche stattfinden kann, wo es auf die Luft trifft. Hier bildet sich das Eis um kleine Vorläufer mit der gleichen charakteristischen ringförmigen Struktur wie Eis 0.
„Simulationen haben gezeigt, dass ein Wassertropfen unter isothermen Bedingungen eher in der Nähe der freien Oberfläche kristallisiert“, sagt der Hauptautor der Studie, Gang Sun. „Damit ist eine lange Debatte darüber beendet, ob die Kristallisation eher an der Oberfläche oder im Inneren stattfindet.“
Die Struktur der Eis-0-Vorläufermoleküle ist der von unterkühltem Wasser sehr ähnlich. Dadurch können Wassermoleküle leichter auskristallisieren, ohne direkt die Struktur von normalem Eis annehmen zu müssen.
Die winzigen Eis-0-Vorläufer bilden sich spontan infolge von Unterdruckeffekten, die durch die Oberflächenspannung des Wassers verursacht werden. Sobald die Kristallisation dieser Vorläufer beginnt, ordnen sich Strukturen, die Eis 0 ähneln, schnell in das bekanntere Eis I um.
Der leitende Autor Hajime Tanaka betont die weitreichenden Auswirkungen dieser Studie und merkt an: „Die Erkenntnisse über den Mechanismus der Oberflächenkristallisation von Wasser werden voraussichtlich einen bedeutenden Beitrag zu verschiedenen Bereichen leisten, darunter Klimastudien und Lebensmittelwissenschaften, in denen die Wasserkristallisation eine entscheidende Rolle spielt.“
Ein detaillierteres Verständnis von Eis und seiner Entstehung kann wertvolle Einblicke in zahlreiche Forschungsbereiche liefern.
Diese Arbeit könnte beispielsweise in der Meteorologie von besonderer Bedeutung sein, wo die Eisbildung über Eis-0-ähnliche Vorläufer einen viel deutlicheren Effekt auf kleine Wassertröpfchen wie jene in Wolken haben könnte. Das Verständnis von Eis kann auch in der Technologie von Nutzen sein, von der Lebensmittelwissenschaft bis zur Klimatechnik.
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Oberflächeninduzierte Wasserkristallisation durch Vorläufer, die in Unterdruckbereichen gebildet werden, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50188-1