Wissenschaftler haben gerade bewiesen, dass die Gefriertemperatur von Wasser sogar noch niedriger sein kann, als wir für möglich hielten.
Ein Team von Ingenieuren der University of Houston hat winzige Wassertröpfchen mit einer Größe von nur 150 Nanometern genommen und die kritische Temperaturschwelle auf -44 Grad Celsius (-47,2 Grad Fahrenheit) erhöht – und vor allem genau gemessen.
Diese Errungenschaft ist nicht nur eine lustige Sache, mit der man auf Ingenieurspartys prahlen kann, sondern kann uns jetzt helfen, besser zu verstehen, wie Wasser gefriert, was Auswirkungen auf eine Reihe von wissenschaftlichen Bereichen hat, von der Meteorologie bis zur Kryokonservierung.
“Die experimentelle Untersuchung der Gefriertemperatur von Wassertropfen von wenigen Nanometern war eine ungelöste Herausforderung”, sagt der Maschinenbauingenieur Hadi Ghasemi von der University of Houston, Texas.
„Hier konnten wir durch neu entwickelte Messtechnik das Gefrieren von Wassertröpfchen vom Mikrometerbereich bis hinunter zum 2 nm-Maßstab sondieren.“
Die meisten von uns denken nicht viel über Wasser nach, weil es so allgegenwärtig und für unsere Existenz so wichtig ist. Aber gemeinsames H2O ist eigentlich ziemlich seltsam; es verhält sich nicht wie jede andere Flüssigkeit. Schon die Art und Weise, wie es gefriert, ist seltsam: Wo andere Flüssigkeiten beim Abkühlen an Dichte zunehmen, wird Wasser beim Gefrieren tatsächlich weniger dicht.
Das Verhalten von Wasser ist ziemlich gut charakterisiert und untersucht worden. Wir wissen zum Beispiel, dass es bei einer Vielzahl von Temperaturen zur Keimbildung oder zur Bildung von Eiskristallen neigt und dem Prozess manchmal bis zu -38 Grad Celsius standhält. Jedes kältere und selbst die hartnäckigsten Wassermoleküle werden zu Eis zusammenkleben.
Ghasemi und Kollegen drückten diese Temperatur nach unten, indem sie Nanotröpfchen Wasser auf eine weiche Oberfläche wie ein Gel oder ein Lipid legten. Dann untersuchten sie die Tröpfchen mit elektrischer Widerstandsmesstechnik und Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie, um ihre Temperatur beim Einfrieren zu messen.
Die weiche Grenzfläche zwischen der Oberfläche und dem winzigen Tröpfchen schien eine Rolle bei der Unterdrückung der Eiskeimbildung zu spielen, möglicherweise aufgrund der Art und Weise, wie die Grenzfläche einen großen Druck auf das Tröpfchen erzeugt.
Dies liegt daran, dass die Gefriertemperatur von Wasser mit steigendem Umgebungsdruck sinkt. Der stärkste Effekt wurde in einem Wassertropfen mit einem Durchmesser von nur 2 Nanometern beobachtet.
„Wir haben festgestellt, dass die Gefriertemperatur deutlich niedriger sein kann als bei harten Oberflächen, wenn ein Wassertropfen mit einer weichen Grenzfläche in Kontakt kommt“, erklärt Ghasemi.
“Außerdem könnte ein Wassertropfen von wenigen Nanometern das Einfrieren auf -44 Grad Celsius verhindern, wenn er mit einer weichen Grenzfläche in Kontakt kommt.”
Die Art und Weise, wie winzige Wassertröpfchen gefrieren, ist für die Kryokonservierung von entscheidender Bedeutung, da das Einfrieren winziger Tröpfchen innerhalb von Zellen dazu führen kann, dass diese Zellen aufplatzen und absterben. Zu lernen, wie man diesen Prozess verlangsamt oder stoppt, könnte Wissenschaftlern helfen, Wege zu finden, diesen Effekt zu mildern.
Es könnte uns auch helfen, besser zu verstehen, wie die Keimbildung in der Atmosphäre stattfindet, wo mikroskopisch kleine Wassertröpfchen gefrieren. Und es könnte uns auch helfen, Technologien, die unter Eiseinwirkung leiden, besser zu entwickeln, wie Flugzeuge und Windkraftanlagen, sagten die Forscher.
„Die Ergebnisse stimmen gut mit Vorhersagen der klassischen Nukleationstheorie überein. Dieses Verständnis trägt zu einem besseren Verständnis von Naturphänomenen und einem rationalen Design von Anti-Icing-Systemen für die Luftfahrt, Windenergie und Infrastrukturen und sogar Kryokonservierungssysteme bei“, schreiben sie in ihrem Papier.
“Die Ergebnisse liefern ein Verständnis für verschiedene Naturphänomene und bieten einen Weg für das Design von überlegenen Anti-Icing-Bioniken oder glatten, flüssigkeitsinfundierten Oberflächen.”
Die Studie wurde veröffentlicht in Naturkommunikation.