Phänomen Wasser: Experiment beweist das Zweiflüssigkeitsmodell und erklärt die Dichteanomalie

Wasser gilt als entscheidende Voraussetzung für menschliches Leben. Gleichzeitig bringt es einige in der Natur einzigartige Eigenschaften mit sich. So handelt es sich um die einzige Substanz, die in festem, flüssigen und gasförmigen Zustand existiert. Zusätzlich fasziniert Forscher schon seit langem die sogenannte Dichteanomalie. Denn Wasser erreicht nicht etwa beim Gefrierpunkt seine höchste Dichte, sondern bei einer Temperatur von plus vier Grad Celsius. Erklärt werden konnte dieses Phänomen bisher nur mit dem Zweiflüssigkeitsmodell. Demnach besteht Wasser aus zwei Flüssigkeiten mit jeweils unterschiedlicher Dichte. Das Problem: Die Theorie konnte bisher nicht bewiesen werden. Forschern an der Universität Innsbruck ist es nun aber zumindest gelungen, sehr starke Indizien zu finden, die für die Richtigkeit der Theorie sprechen. Das Team nimmt sogar vorsichtig das Wort „Beweis“ in den Mund.

Hoher Druck sorgte für die entscheidende Veränderung

Grundsätzlich kann Wasser nicht nur als Eis, Flüssigkeit oder Dampf existieren, sondern auch noch zahlreiche weitere kristalline und amorphe Formen annehmen. Kühlt man Wasser beispielsweise extrem schnell und sehr stark ab, entstehen sogenannte Gläser. Dabei erstarrt die Flüssigkeit einerseits. Andererseits existiert die ungeordnete mikroskopische Struktur aber weiterhin. Der Ansatz des Forschungsteams bestand nun darin, durch die gezielte Erzeugung von hohem Druck, unterschiedliche Glasformen zu erzeugen. Dafür entwickelten sie zunächst mehrere Jahre lang eine Maschine, mit deren Hilfe Wasser innerhalb von 20 Mikrosekunden um 200 Grad Celsius heruntergekühlt werden kann – auf dann minus 196 Grad Celsius. Dabei wird das Wasser tatsächlich nicht zu Eis, sondern es kristallisiert zu Glas. Bis hierhin stellten die Ergebnisse des Experiments noch keine Sensation dar. Dafür sorgte dann allerdings der Einsatz einer Hochdruckzelle.

Die Computersimulationen wurden durch das Experiment bestätigt

In dieser wurde das extrem kalte Glas mit einem Druck von mehr als 10.000 Atmosphären versehen. Dadurch verdichtete sich die Struktur plötzlich und es entstand eine zweite Form von Glas, die über eigene Materialeigenschaften verfügt. Mithilfe von Röntgenstrahlen konnte letztlich nachgewiesen werden, dass es sich tatsächlich um zwei verschiedene Glasformen handelt. Dies wiederum ließe sich wohl nur mit dem Zweiflüssigkeitsmodell erklären. Das Forscherteam spricht daher von „einem sehr starken Hinweis“. Zumindest konnten die bisher existierenden Computersimulationen nun bei einem Experiment in der realen Welt vorerst bestätigt werden. Doch wozu dient der ganze Aufwand eigentlich? Wie bereits erwähnt, verfügt Wasser über eine einzigartige und hochinteressante Eigenschaften. Das Zweiflüssigkeitsmodell kann helfen, diese besser zu verstehen und nutzbar zu machen.

Via: Universität Innsbruck