Nachweis geglückt Es gibt zwei Arten flüssigen Wassers

Wasser ist eine ganz besondere Verbindung. Nun hat das lebenswichtige Nass Wissenschaftler erneut verblüfft: Flüssiges Wasser existiert bei tiefen Temperaturen in zwei unterschiedlichen Varianten.

Flüssiges Wasser in zwei Varianten
Gesine Born/ DESY

Flüssiges Wasser in zwei Varianten


Was wären wir ohne Wasser? Leben auf der Erde ist kaum vorstellbar ohne die Verbindung, die wir in drei verschiedenen Zuständen kennen: fest, flüssig und gasförmig.

Physiker differenzieren da noch etwas mehr. Laut ihren Erkenntnissen gibt es allein gefrorenes Wasser in mehr als zehn verschiedenen Kristallformen. Hinzu kommt noch das sogenannte amorphe Eis, bei dem es sich ebenfalls um gefrorenes Wasser handelt. Nur sind dabei die Wassermoleküle anders als in einem Kristall unregelmäßig angeordnet.

Nun berichten Wissenschaftler, dass Wasser auch in seiner flüssigen Form in zwei unterschiedlichen Varianten existiert. Die Flüssigkeit sei damit noch ungewöhnlicher als bislang bekannt, berichten Forscher vom Deutschen Elektron-Synchrotron (Desy) in Hamburg.

Sie hatten gemeinsam mit Kollegen aus Schweden, Österreich und den USA amorphes Eis untersucht. Diese Form des Wassereises ähnelt Glas und ist seit Jahrzehnten bekannt. Amorphes Eis gibt es in zwei Formen: mit niedriger und mit hoher Dichte. In unserem Alltag kommen die amorphen Eisvarianten LDA (low density) und HDA (high density) nicht vor - dafür aber in großer Menge in unserem Sonnensystem. HDA hat im Vergleich zu LDA eine 25 Prozent höhere Dichte.

Volumenzunahme bei Umwandlung von HDA- in LDA-Eis
Katrin Amann-Winkel/ Filippo Cavalca/ Universität Stockholm

Volumenzunahme bei Umwandlung von HDA- in LDA-Eis

Schon länger hatten sich Wissenschaftler gefragt, ob diese beiden Eis-Sorten nicht auch als entsprechende Varianten in flüssigem Wasser existierten, sagt Felix Lehmkühler vom Desy. Messungen seien jedoch schwierig. "Selbst wenn es in flüssigem Wasser beide Varianten geben sollte, durchmischen sie sich ständig", erklärt der Desy-Forscher. Es existiere keine Möglichkeit, die beiden zu trennen, zumal sie sich auch ineinander umwandelten.

Nun ist der Nachweis geglückt, möglich machten das Röntgenstrahlen. Ausgangspunkt war sehr kaltes amorphes Eis, das die Forscher langsam erwärmten. Zwischen minus 150 und minus 140 Grad beobachteten sie, wie HDA-Eis in eine flüssige Form hoher Dichte überging. Danach habe sich dieses "High Density Liquid" (HDL) in eine Form niedrigerer Dichte ("Low Density Liquid", LDL) umgewandelt, schreiben die Forscher im Fachblatt "Proceedings of the National Academy of Sciences".

Viskose Flüssigkeit

Das extrem tiefgekühlte Wasser sei dabei so zähflüssig, dass sich die beiden flüssigen Phasen nur sehr langsam ineinander transformierten und vermischten. Nur dadurch habe man die beiden Varianten flüssigen Wassers mit Röntgenstrahlung nachweisen können.

Für unseren Alltag habe die Entdeckung keine Bedeutung, betonen die Forscher, dafür aber für das Verständnis der Flüssigkeit. Wasser ist für seine vielen Anomalien bekannt, seine Eigenschaften unterscheiden sich von denen vieler anderer Flüssigkeiten. Am bekanntesten ist die Dichteanomalie: Gefrorenes Wasser hat eine niedrigere Dichte als minimal wärmeres flüssiges Wasser.

Als nächstes wollen die Wissenschaftler untersuchen, ob die beiden Arten flüssigen Wassers auch bei Zimmertemperatur existieren. Ausgeschlossen sei das nicht. Womöglich könne sich Wasser bei Raumtemperatur nicht entscheiden, welche der beiden Formen es annehmen solle, meint Lars Pettersson von der Universität Stockholm. Dies könne zu lokalen Fluktuationen zwischen beiden Varianten führen. Sein Fazit: "Wasser ist keine komplizierte Flüssigkeit, sondern zwei einfache Flüssigkeiten in einer komplizierten Beziehung."

hda

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