Wasser im Vakuum abschrecken

Wasser verdankt seine besonderen Eigen­schaften möglicher­weise der Tatsache, dass es aus zwei ver­schiedenen Flüssig­keiten besteht. Wissen­schaftler der Universität Innsbruck um Thomas Lörting haben diese These nun weiter unter­mauert, indem sie die Existenz von zwei unter­schiedlich dichten Formen von glas­artigem Wasser experi­mentell nach­gewiesen haben.

Wasser ist die einzige Substanz, die in der Natur im festen, flüssigen und gas­förmigen Zustand angetroffen werden kann. Ins­besondere in der festen Phase existiert Wasser in einer Vielzahl von kristal­linen Formen und amorphen Zu­ständen. Gläser, eine Unterart der amorphen Fest­stoffe, werden üblicher­weise durch schnelles Abkühlen einer Flüssigkeit erzeugt, wobei diese erstarrt, ihre ungeordnete mikroskopische Struktur jedoch erhalten bleibt. Forscher des Instituts für Physika­lische Chemie der Universität Innsbruck um Thomas Lörting haben nun erstmals experimentell gezeigt, dass so gewonnenes Glas aus Wasser durch Kompression in ein zweites Glas übergeht, mit anderer mikros­kopischer Struktur und damit auch unter­schiedlichen Material­eigenschaften.

Wasser zu Glas zu erstarren ist äußerst schwierig. Es muss mit über 1 Million Grad pro Sekunde von Raum­temperatur auf unter minus 130 Grad Celsius abgekühlt werden – andern­falls kristal­lisiert das Wasser und es entsteht Eis. An der Univer­sität Innsbruck wurde Anfang der 1980er-Jahre eine Technik entwickelt, die dieses extreme Ab­schrecken von Wasser ermöglicht. Sie ist bis heute einzigartig und unerreicht. „Im Gegen­satz zu älteren Methoden wird Wasser nicht in tiefkalte Kühl­flüssigkeit eingesprüht, sondern fein zerstäubt auf Ultra­schall­geschwindigkeit beschleunigt und im Vakuum auf einer kalten Kupfer­platte abgeschieden“, erläutert Erst­autor Johannes Bachler die Methode. „Dadurch entsteht ein Glas frei von Konta­mination, welches dann auch isoliert werden kann.“ Um den Über­gang in eine zweite, dichtere Form zu beobachten, trans­ferierte der Forscher das Glas in eine vor­gekühlte Hoch­druckzelle, wo es Drücken über 10.000 Atmo­sphären ausgesetzt wurde. Dafür wurden die Proben in Indium verpackt und laufend mit flüssigem Stick­stoff gekühlt, damit sie sich nicht während oder gar vor der Kom­pression zer­setzten.

Als die Wissen­schaftler den Druck erhöhten, verdichtete sich das Glas an einem Punkt schlagartig. Die Analysen mit Röntgen­strahlen bestätigten, dass die Probe durch die Kompression zu einem zweiten Glas wurde. „Dies ist die erste eindeutige experi­mentelle Bestätigung für die Existenz von zwei Gläsern aus Wasser“, freut sich Thomas Lörting. „Für die allermeisten Flüssigkeiten gibt es nur ein Glas. Das Auftreten zweier verschiedener Gläser ist ein sehr starker Hinweis auf das Zwei­flüssig­keits­modell, wenn nicht gar ein Beweis.“ Mehrere Forschungs­gruppen hatten die Möglich­keit der Umwandlung von einem Glas zu einem anderen Glas im Rahmen eines Zwei­flüssig­keits­modells bereits im Vorfeld mit Computer­simu­lationen vorgeschlagen.

„Das experimentelle Ergebnis deckt sich aber auch mit voran­gegan­genen Studien zu amorphem Eis“, sagt Thomas Lörting. Diese waren bisher umstritten, weil unklar war, ob das mit hohem Druck aus kristal­linem Eis erzeugte amorphe Eis tatsächlich ein Glas oder lediglich ein Sammel­surium winziger zerbrochener Kristalle ist. Die Innsbrucker Forscher sind dieser Kontroverse nun aus dem Weg gegangenen, indem sie das Glas direkt aus flüssigem Wasser erzeugt haben. „Unsere Analyse zeigt, dass amorphes Eis und glasiges Wasser ein derselbe Zustand sind“, ist Thomas Lörting überzeugt. „Wenn wir wissen, dass Wasser aus zwei verschiedenen Flüssig­keiten besteht, kann uns das helfen, die erstaun­lichen und einzig­artigen Eigen­schaften von Wasser zu beschreiben.“

U Innsbruck / LK