Wasser: Zwei Flüssigkeiten in einem

Wasser ist allgegenwärtig, aber auch rätselhaft. Denn das Element verhält sich in vielem anders als die meisten anderen Flüssigkeiten. Das könnte daran liegen, dass Wasser in gewisser Weise eine gespaltene Persönlichkeit besitzt, berichten nun Forscher.

Heute kennt man Dutzende Eigenschaften, in denen sich Wasser von fast allen anderen Flüssigkeiten unterscheidet. Die bekannteste davon ist die Dichteanomalie: Wasser hat seine höchste Dichte bei Normaldruck bei plus vier Grad Celsius. Deshalb frieren Seen von der Oberfläche her zu, das leichtere Eis schwimmt auf dem Wasser.

Seit 1984 ist bekannt, dass Wasser bei sehr niedrigen Temperaturen eine niederdichte und eine hochdichte amorphe Eis-Form einnehmen kann. Dabei handelt es sich um zwei Festkörper, in denen die Atome unregelmäßig angeordnet sind, im Gegensatz zur Anordnung in Kristallen. Im Jahr 2013 hat ein Team um Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck erstmals experimentelle Hinweise dafür geliefert, dass Wasser bei extremen Minusgraden auch flüssig sein kann. D.h., bei tiefen Temperaturen kann ein Übergang von einem amorphen, glasartigen Material in eine Flüssigkeit, die noch zähflüssiger als Honig ist, stattfinden. Das wurde bereits 1992 theoretisch vorhergesagt.

Wie eine Flüssigkeit

Es zeigte sich, dass sich die Moleküle in dem Temperaturbereich um minus 150 Grad relativ schnell zu bewegen beginnen. „Das ist etwas, was man bei so tiefen Temperaturen eigentlich nicht kennt“, sagte der Forscher. Mit herkömmlichen Methoden konnte jedoch nicht herausgefunden werden, ob sich die Moleküle quasi einfach an ihrem festen Platz zu drehen oder wirklich - wie bei einer Flüssigkeit - zu wandern beginnen. Drehen sich die Moleküle nur, so handelt es sich um eine „Rotor-Phase“, die weder als fest noch als flüssig eingestuft werden kann, ähnlich sogenannten plastischen Kristallen oder Flüssigkristallen. Wandern die Moleküle jedoch, handelt es sich um echte Flüssigkeiten.

Für ihre nun veröffentlichte Studie nahm sich das Team dieser Frage mit einer anderen Methode an. Gemeinsam mit den Kollegen der Universität Stockholm untersuchten sie stark unterkühltes Wasser mit Hilfe eines extrem gebündelten Röntgenstrahls am deutschen Großforschungszentrum DESY in Hamburg. Mit der Kleinwinkel-Röntgenstreuung lässt sich nämlich die Bewegung von Molekülen in einer Probe feststellen.

Plötzliche Veränderung

Die in Innsbruck hergestellten Proben aus hochdichtem amorphem Eis wurden dann bei verschiedenen Temperaturen bestrahlt: Bei minus 200 Grad zeigte die Struktur noch kaum Bewegung. Das änderte sich jedoch ab ungefähr minus 163 Grad Celsius. „Aus der Analyse der Daten konnten wir als Bewegungsraum eines Moleküls 50 Nanoquadratmeter pro Sekunde bestimmen, was für ein Molekül eine sehr große Fläche ist. Das ist typisch für eine zähe Flüssigkeit“, so Lörting.

Je wärmer das Wasser wurde, desto schneller wurde die Bewegung und bei knapp minus 140 Grad Celsius „verändert sich die Probe plötzlich massiv. Die Atome ordnen sich um und die Probe wird um 25 Prozent voluminöser bzw. die Dichte nimmt um 25 Prozent ab“, sagt der Wissenschaftler. Es findet also der Übergang vom hochdichten zum niederdichten Zustand statt. Zudem erkannten die Forscher auch im niederdichten Zustand, dass die Wassermoleküle wandern, und nicht nur rotieren.

Grund für Anomalie

„Das ist für uns der erste, fast unumstößliche Beweis, dass es tatsächlich einen Übergang zwischen zwei verschiedenen Flüssigkeiten von Wasser gibt, die sich durch die Dichte unterscheiden“, erklärte Lörting. Das kenne man zwar von verschiedenen Flüssigkeiten wie etwa einer Kombination von Wasser und Öl. Dass das aber auch im Zusammenhang mit lediglich Wasser gelten könnte, ist laut dem Forscher „ganz neu. Weil es so unglaublich klingt, gibt es aber auch viele Zweifler und viel Widerstand“.

Trifft es jedoch tatsächlich zu, würden die beiden verschiedenen Zustände auch im Leitungswasser vorliegen. Bei Raumtemperatur bewegen sich die Moleküle jedoch so schnell, dass die beiden Erscheinungsformen nicht mehr unterscheidbar wären. Lörting: „Das könnte erklären, warum Wasser so eigenartige Eigenschaften zeigt.“ Demnach würde beispielsweise bei der Anomalie mit dem Dichtemaximum um vier Grad Celsius der Anteil des hochdichten Zustandes ansteigen.

science.ORF.at/APA

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