Wasser ist komisch. Eine neue Art von Eis könnte uns helfen zu verstehen, warum

Eiswürfel schwimmen im Wasser, weil sie eine geringere Dichte als die Flüssigkeit haben. Aber eine neu entdeckte Art von Eis hat eine Dichte, die fast der in Ihrem Wasserglas entspricht, berichten Forscher am 3. Februar Wissenschaft. Wenn Sie dieses Eis in Ihren Becher werfen könnten, ohne dass es sofort schmilzt, würde es herumwirbeln, weder schwimmen noch sinken.

Das neue Eis ist eine spezielle Art, die als amorphes Eis bezeichnet wird. Das bedeutet, dass die darin enthaltenen Wassermoleküle nicht in einem ordentlichen Muster angeordnet sind, wie in normalem, kristallinem Eis. Andere Arten von amorphem Eis sind bereits bekannt, aber sie haben unter Standardbedingungen eine geringere oder höhere Dichte als Wasser. Einige Wissenschaftler hoffen, dass dieses neu hergestellte amorphe Eis helfen könnte, die wissenschaftlichen Rätsel zu lösen, die um das Wasser wirbeln.

Um das neue Eis zu erzeugen, verwendeten die Wissenschaftler eine überraschend einfache Technik. Kugelmahlen genannt, beinhaltet das Schütteln eines Behälters mit Eis und Edelstahlkugeln, gekühlt auf 77 Kelvin (fast –200° Celsius). Die Forscher waren von Neugier getrieben; Sie erwarteten nicht, dass die Technik ein neues amorphes Eis erzeugen würde. „Es war eine Art Freitagnachmittag-Idee, die wir hatten, es einfach auszuprobieren und zu sehen, was passiert“, sagt Physikochemiker Christoph Salzmann vom University College London.

Eine Analyse, wie Röntgenstrahlen von dem frostigen Zeug gestreut wurden, deutete darauf hin, dass sie ein amorphes Eis geschaffen hatten. Und Computersimulationen, die die Effekte des Kugelmahlens nachahmten, zeigten, dass eine ungeordnete Struktur durch Eisschichten erzeugt werden könnte, die als Reaktion auf die von den Kugeln ausgeübten Kräfte in zufälligen Richtungen aneinander vorbeigleiten.

„Als Wissenschaftler muss man für das Unerwartete offen sein“, sagt der Chemiephysiker Anders Nilsson von der Universität Stockholm, der nicht an der Forschung beteiligt war. Die Kugelmahltechnik, sagt er, „war ziemlich innovativ.“

Da das Material durch Zerkleinern von normalem Eis hergestellt wurde, ist seine Beziehung zu flüssigem Wasser unbekannt. Es ist unklar, ob es direkt durch Abkühlen von flüssigem Wasser hergestellt werden kann. Nicht alle amorphen Eise teilen diese Verbindung mit ihrem flüssigen Zustand.

Wenn das neue Eis diese Verbindung zur Flüssigkeit hat, könnte das Eis den Wissenschaftlern helfen, die Eigenarten des Wassers besser zu verstehen. Wasser ist rätselhaft, weil es die Normen für Flüssigkeiten missachtet. Während beispielsweise die meisten Flüssigkeiten beim Abkühlen dichter werden, wird Wasser dichter, wenn es sich 4 °C nähert, wird aber weniger dicht, wenn es weiter abgekühlt wird.

Viele Wissenschaftler vermuten, dass die Seltsamkeit des Wassers mit seinem Verhalten als unterkühlte Flüssigkeit zusammenhängt (SN: 28.09.20). Reines Wasser kann bei Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt flüssig bleiben. Es wird angenommen, dass unter solchen Bedingungen flüssiges Wasser in zwei verschiedenen Phasen existiert, einer Flüssigkeit mit hoher Dichte und einer mit niedriger Dichte, und dass die duale Natur das Verhalten von Wasser unter typischeren Bedingungen erklären könnte (SN: 19.11.20). Aber vieles bleibt an dieser Idee ungewiss.

Salzmann und Kollegen schlagen vor, dass das neue Eis eine spezielle Form von Wasser sein könnte, die als Glas bezeichnet wird. Gläser können hergestellt werden, indem eine Flüssigkeit schnell genug abgekühlt wird, damit sich die Moleküle nicht zu einer Kristallstruktur neu anordnen können. Das Glas in einer Fensterscheibe ist ein Beispiel für ein solches Material, das durch Abkühlen von geschmolzenem Quarzsand hergestellt wird, aber auch andere Substanzen können Gläser bilden.

Wenn das neue Eis ein glasiger Zustand von Wasser ist, müssten Wissenschaftler herausfinden, wie es in dieses Dual-Flüssigkeits-Bild passt. Und das könnte Wissenschaftlern helfen herauszufinden, was wirklich unter schwer zu untersuchenden unterkühlten Bedingungen vor sich geht.

Einige Forscher sind jedoch skeptisch, ob das neue Material eine Verbindung zu der seltsamen Physik von flüssigem Wasser hat. Der Physikochemiker Thomas Loerting von der Universität Innsbruck in Österreich glaubt, dass das Eis „eher mit sehr kleinen, verzerrten Eiskristallen verwandt“ ist als mit der flüssigen Form von Wasser.

Dennoch haben frühere Computersimulationen nahegelegt, dass Wasser Gläser mit einer Reihe von Dichten ähnlich wie flüssiges Wasser bilden könnte, sagt der Computerphysiker Nicolas Giovambattista vom Brooklyn College der City University of New York. Diese Simulationen erzeugten Strukturen, die denen ähneln, die in der Computersimulation von Kugelmahleis zu sehen sind, sagt Giovambattista, der nicht an der neuen Forschung beteiligt war. „Es öffnet Türen für neue Fragen. Es ist neu, also was ist es?“