Neue Studie enthüllt, wie sich die Wasserdynamik bei niedrigen Temperaturen verlangsamt

Ein Wissenschaftler am Institute for Molecular Science hat eine Studie veröffentlicht, die Einblick in das rätselhafte Phänomen der dynamischen Verlangsamung in unterkühltem Wasser gibt und damit einen wesentlichen Schritt zum Verständnis des Glasübergangs in Flüssigkeiten darstellt.

Die Studie „Enthüllung der dynamischen Verlangsamung in unterkühltem Wasser: Die Rolle der dynamischen Unordnung bei Sprungbewegungen“ untersucht die mikroskopischen Mechanismen, die das dynamische Verhalten von Wasser bestimmen, wenn es unter seinen Gefrierpunkt abgekühlt wird, ohne dass sich Eis bildet. Die Studie ist veröffentlicht In Das Journal der chemischen Physik.

Wenn Wasser unterkühlt wird, zeigt es eine deutliche dynamische Verlangsamung, ohne dass es zu sichtbaren Strukturveränderungen kommt. In dieser Forschung wird die Sprungdynamik von Wassermolekülen, die ein elementarer Prozess für Strukturveränderungen ist, mithilfe von molekulardynamischen Simulationen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Dynamik aufgrund dynamischer Unordnung mit abnehmender Temperatur von der erwarteten Poisson-Statistik abweicht.

Dynamische Unordnung bezeichnet den Wettbewerb zwischen langsamen Variablen und den Sprungbewegungen von Molekülen. Der Forscher identifizierte die Verschiebung des viertnächsten Sauerstoffatoms eines springenden Moleküls als die langsame Variable, die bei niedrigeren Temperaturen mit der Sprungbewegung konkurriert. Diese Verschiebung findet in einer schwankenden Umgebung jenseits der ersten Hydrathülle statt und beeinflusst die Sprungdynamik erheblich.

Mit sinkender Temperatur wird die Dynamik der Wassermoleküle zunehmend langsamer und unterbrochener, da die Moleküle in ausgedehnten, stabilen Bereichen geringer Dichte gefangen sind. Bei weiterer Abkühlung werden die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen kooperativer, was die Komplexität und Dimensionalität der Sprungdynamik erhöht.

Diese Forschung vertieft unser Verständnis von unterkühltem Wasser und bildet die Grundlage für zukünftige Studien der Molekulardynamik von Flüssigkeiten, die sich dem Glasübergang nähern. Glasübergangsprozesse sind für eine Vielzahl von Anwendungen relevant.

Die Anwendung der in dieser Studie entwickelten Methoden wird daher Aufschluss darüber geben, wie die langsame Bewegung verschiedener Materialien zu Glasübergängen führen kann. Darüber hinaus ebnet diese Studie den Weg für zukünftige Forschungen zur Aufklärung der komplexen Dynamik in anderen Systemen, wie etwa Proteinen.