Chemiker entdecken Gefrierpunkt von unterkühltem Wasser

Es ist leicht vorstellbar, dass Wasser eines der am besten verstandenen Materialien in der Wissenschaft sein muss. Schließlich ist diese Flüssigkeit möglicherweise die am besten untersuchte Substanz auf der Erde. Aber die Wahrheit ist, dass viele seiner Eigenschaften Wissenschaftler immer noch rätseln.

Ein ungelöstes Rätsel ist sein Gefrierpunkt. Wissenschaftler wissen seit vielen Jahren, dass man flüssiges Wasser weit unter null Grad Celsius kühlen kann, ohne dass es gefriert. Das liegt daran, dass Wasser ein Nukleationsereignis benötigt, um den Prozess der Eisbildung auszulösen. Ohne Eiskeimbildung bleibt es flüssig.

Aber wie tief kann man gehen?



Dank der Arbeit von Emily Moore und Valeria Molinero von der University of Utah in Salt Lake City haben wir heute eine Art Antwort.

Ein Teil des Problems ist, dass Experimente zur Messung der Gefriertemperatur so schwierig durchzuführen sind, dass sie niemand geschafft hat. Die Beweise deuten jedoch auf die Wahrscheinlichkeit hin, dass sich bei Temperaturen von etwa -41 °C sowieso Eiskristalle bilden.

das ist kein echtes gesicht

Supergekühltes Wasser sollte bei dieser Temperatur gefrieren, aber es ist niemandem gelungen, es zu messen, da es immer früher beginnt zu gefrieren.

Moore und Molinero umgehen dieses Problem, indem sie das Gefrierverhalten von über 250.000 Wassermolekülen am Computer simulieren. Sie fanden heraus, dass Wasser bei viel niedrigeren Temperaturen nicht mehr flüssig bleiben kann, sobald der natürliche Prozess der Eisbildung beginnt.

Tatsächlich zeigt ihre Simulation, dass der natürliche Gefrierpunkt von unterkühltem Wasser bei etwa -43 °C liegt, knapp unter der Temperatur, bei der sich auf natürliche Weise Eiskristalle bilden. Das ist wie erwartet, aber die Simulation gibt auch neue Einblicke in die Art und Weise, wie dieses Einfrieren stattfindet.

In diesem Zustand ist Wasser eine Mischung aus Eis niedriger Dichte und Wassermolekülen, die kurz davor sind, zu Eis zu werden, was Chemiker als vier koordiniert bezeichnen, was bedeutet, dass jedes Molekül mit vier anderen verbunden ist. Die Struktur von vier koordinierten Wassern scheint einen wichtigen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Eisbildung zu haben und bestimmt den Gefrierpunkt.

Es gibt jedoch einen wichtigen Vorbehalt. Die Simulationen bedürfen einer großen Korrektur, bevor sie ein physikalisch realistisches Ergebnis liefern. Aus irgendeinem Grund vermuten sie, dass die natürliche Eisbildung bei etwa -71 °C beginnt und dass unterkühltes Wasser bei etwa -73 °C gefriert.

Das sind 30 Grad weniger als in der realen Welt. Um dies zu umgehen, addieren Moore und Molinero einfach 30 Grad zu all ihren Ergebnissen. Warum die Simulation so weit weg ist, ist nicht klar.

Wenn die Arbeit jedoch valide ist, könnte sie große Auswirkungen auf andere Bereiche der Wissenschaft haben.

nächste Erde wie Planeten

Die Temperatur, bei der unterkühltes Wasser gefriert, ist ein wichtiger Faktor bei der Wolkenbildung. Und kleine Veränderungen dieses Prozesses können, wenn sie in Klimawandelmodelle eingehen, einen großen Einfluss auf die Vorhersagen über die Zukunft der Erde haben.

Wie genau die neuen Zahlen die Klimavorhersagen verändern werden, ist noch nicht klar. Und natürlich wollen Klimatologen bessere Beweise als eine etwas wackelige Computersimulation. Aber es ist ein anständiger Schritt nach vorne und es lohnt sich, auf seinen Einfluss auf andere Bereiche der Wissenschaft zu achten.

Ref: arxiv.org/abs/1107.1622: Strukturtransformation in unterkühltem Wasser kontrolliert die Kristallisationsgeschwindigkeit von Eis

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