Selbst weit unter dem Gefrierpunkt beginnt die Eisoberfläche zu schmelzen, wenn die Temperaturen steigen

Die Physik ist voller Geheimnisse. Um ein paar zu finden, die es wert sind, erkundet zu werden, ist ein Eiswürfel genau das Richtige. Bei Zimmertemperatur schmilzt der Würfel natürlich vor Ihren Augen. Aber selbst weit unter dem Gefrierpunkt kann sich Eis auf kaum wahrnehmbare Weise verschieben, was Wissenschaftler immer noch zu verstehen versuchen. Mit bildgebenden Verfahren am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben Forscher ein Phänomen entdeckt, das als Vorschmelzen bei Temperaturen bekannt ist, die weit unter den zuvor beobachteten liegen.

Ihre Erkenntnisse werden veröffentlicht im Tagebuch Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Das Vorschmelzen ist der Grund dafür, dass eine Eisfläche selbst an einem kalten, klaren Tag rutschig sein kann. Obwohl die Stelle gefroren ist, ist ein Teil der Oberfläche nass, eine Idee, die erstmals Mitte des 19. Jahrhunderts von Michael Faraday postuliert wurde. Die Idee einer vorgeschmolzenen, flüssigkeitsähnlichen Schicht auf Eis wirft weitere seit langem bestehende Fragen darüber auf, wie sich Wasser von flüssig über fest in Dampf umwandelt – und wie es unter bestimmten Bedingungen alle drei gleichzeitig sein kann.

In der aktuellen Studie untersuchten Wissenschaftler Eiskristalle, die sich bei Temperaturen unter minus 200 Grad Fahrenheit bildeten. Das Team nutzte das Center for Nanoscale Materials (CNM) von Argonne, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, um die Eis-Nanokristalle zu züchten und zu beobachten, die nur einen Durchmesser von 10 Millionstel Metern hatten.

Neben dem, was die Studie über die Beschaffenheit von Wasser bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt verrät, demonstriert sie eine Methode zur Untersuchung empfindlicher Proben im molekularen Detail: niedrig dosierte, hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). TEM richtet einen Strom von Elektronen, bei denen es sich um subatomare Teilchen handelt, auf ein Objekt. Ein Detektor erzeugt ein Bild, indem er auffängt, wie die Elektronen vom Objekt gestreut werden.

„Einige Materialien sind strahlempfindlich. Wenn man sie mit einem Elektronenstrahl abbildet, können sie verändert oder zerstört werden“, sagte Jianguo Wen, Argonne-Materialwissenschaftler und Hauptautor des Artikels. Ein Beispiel für ein elektronenstrahlempfindliches Material sind Elektrolyte, die geladene Teilchen in Batterien austauschen.“ Die Möglichkeit, sie bis ins kleinste Detail zu untersuchen, ohne ihre Struktur zu zerstören, könnte bei der Entwicklung besserer Batterien helfen.

Doch zunächst experimentieren Forscher mit der Niedrigdosis-TEM-Technik an gefrorenem Wasser. Schließlich ist Wasser billig und reichlich vorhanden. Darüber hinaus sagte Wen: „Die Abbildung von Eis ist sehr schwierig, da es unter dem hochenergetischen Elektronenstrahl so instabil ist. Wenn wir diese Technik erfolgreich auf Eis demonstrieren, wird die Abbildung anderer strahlempfindlicher Materialien ein Kinderspiel sein.“ „

Die Niedrigdosistechnik kombiniert das aberrationskorrigierte TEM des CNM mit einer speziellen Kamera zur direkten Elektronendetektion. Das System erfasst äußerst effizient Informationen von jedem einzelnen Elektron, das auf eine Probe trifft, sodass es möglich ist, mit weniger Elektronen ein hochauflösendes Bild zu erhalten und somit dem Ziel weniger Schaden zuzufügen als bei einem herkömmlichen TEM-Ansatz.

Die geringe Elektronenbelichtung ermöglicht es, etwas so Feines wie einen Eiskristall vor Ort oder in seiner Umgebung einzufangen. Das Forschungsteam verwendete flüssigen Stickstoff, um die Eiskristalle auf Kohlenstoffnanoröhren bei 130 Grad Kelvin oder minus 226 Grad Fahrenheit wachsen zu lassen.

Frühere Studien hatten ein Vorschmelzen nahe dem Tripelpunkt des Wassers beobachtet. Am Tripelpunkt liegt die Temperatur nur knapp über dem Gefrierpunkt und der Druck ist so niedrig, dass Eis, Flüssigkeit und Wasserdampf gleichzeitig existieren können. Bei Temperaturen und Drücken unterhalb des Tripelpunkts sublimiert Eis direkt zu Wasserdampf.

Die „Regeln“ des Wasserverhaltens werden oft übersichtlich in einem einfachen Phasendiagramm zusammengefasst, das die unterschiedlichen Zustände des Wassers bei verschiedenen Kombinationen von Temperatur und Druck darstellt.

„Aber die reale Welt ist viel komplexer als dieses einfache Phasendiagramm“, sagte Tao Zhou, Materialwissenschaftler aus den Argonnen und ein weiterer korrespondierender Autor des Artikels. „Wir haben gezeigt, dass es weit unten auf der Kurve zu einem Vorschmelzen kommen kann, obwohl wir nicht erklären können, warum.“

In einem während des Experiments aufgenommenen Video ist zu sehen, wie sich zwei separate Nanokristalle ineinander auflösen, während das Eis unter konstantem Druck auf 150 Grad Kelvin oder minus 190 Grad Fahrenheit erwärmt wird. Obwohl das Eis immer noch deutlich unter dem Gefrierpunkt lag, bildete es eine quasi flüssigkeitsähnliche Schicht. Dieses ultraviskose Wasser wird nicht in den einfachen Linien des Phasendiagramms berücksichtigt, in dem Wasser direkt vom Eis in Dampf übergeht.

Die Studie wirft interessante Fragen auf, die in zukünftigen Arbeiten untersucht werden könnten. Was ist die genaue Beschaffenheit der flüssigkeitsähnlichen Schicht, die die Forscher sahen? Was würde passieren, wenn der Druck zusammen mit der Temperatur erhöht würde? Und ebnet diese Technik den Weg zu einem Blick ins „Niemandsland“, dem Zustand, in dem unterkühltes Wasser plötzlich von Flüssigkeit zu Eis kristallisiert? Die jahrhundertelange wissenschaftliche Untersuchung der vielen Zustände von Wasser geht weiter.

Co-Autoren mit Wen und Zhou sind Lei Yu, Thomas Gage, Suvo Banik, Arnab Neogi, Henry Chan, Xiao-Min Lin, Martin Holt und Ilke Arslan aus Argonne; Yulin Lin und Aiwen Lei von der Universität Wuhan; und Nathan Rosenmann von der University of Illinois in Chicago.