Zwei Arten flüssigen Wassers nachgewiesen

Zwei unterschiedliche Arten Wasser

Wasser hat viele außergewöhnliche Eigenschaften. Jetzt haben Forscher eine weitere entdeckt. Flüssiges Wasser existiert in zwei unterschiedlichen Varianten – zumindest bei sehr tiefen Temperaturen.

Ausgangspunkt: Amorphes Eis

Forscher des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, des US-amerikanischen Argonne National Laboratory und der Universität Stockholm hatten sogenanntes amorphes Eis untersucht. Diese glasähnliche Form von Wassereis ist seit Jahrzehnten bekannt. Auf der Erde ist sie selten und kommt im Alltag nicht vor. Hingegen existiert das meiste Wassereis im Sonnensystem in dieser amorphen Form. Dabei liegt das Eis als ungeordnete Molekülketten vor und ähnelt der inneren Struktur eines Glases.

Es existieren zwei Varianten amorphes Eis: mit hoher (HDA, high density) und geringer Dichte (LDA, low density). Wissenschaftler fragen sich schon länger, ob diese beiden Eissorten nicht entsprechende Varianten in flüssigem Wasser haben. Eine Messung ist hier schwierig, da beide Varianten sich ständig durchmischen.

Diese Hürde haben die Forscher jetzt bei tiefen Temperaturen genommen. Sie untersuchten besonders reine Proben aus HDA-Eis. Die Wissenschaftler beobachteten anschließend, dass sich die innere Struktur dieses Eises bei Erwärmung zwischen minus 150 Grad und minus 140 Grad Celsius verändert.  Es wandelt sich in eine Form niedrigerer Dichte um.

Wasser zeigt zahlreiche Anomalien

Mittels Röntgenuntersuchungen konnten die Forscher die Dynamik dieser Phasenumwandlung verfolgen. Es zeigte sich, dass die Umwandlung über eine Flüssigkeit erfolgt: Zunächst geht das HDA-Eis in eine flüssige Form hoher Dichte über. Anschießend wandelt sich dieses „High Density Liquid“ (HDL) in eine Form niedrigerer Dichte („Low Density Liquid“, LDL) um. Die Existenz der beiden vermuteten Varianten von flüssigem Wasser ist somit belegt – zumindest bei sehr tiefen Temperaturen. Das extrem tiefgekühlte Wasser ist so viskos, dass sich die beiden flüssigen Phasen nur sehr langsam vermischen und messbar werden.

Wasser kann also bei tiefen Temperaturen als zwei verschiedene Flüssigkeiten existieren.  Für den Alltag ändert die Entdeckung der beiden Varianten nichts. Für die Wissenschaft ist es jedoch ein wichtiger Schritt zum Verständnis dieser außergewöhnlichen Flüssigkeit. Denn Wasser zeigt viele Anomalien – Dichte, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit sind drei von mehreren Dutzend Eigenschaften, die bei Wasser anders sind als bei den meisten anderen Flüssigkeiten. Ohne Wasser und seine besonderen Eigenschaften ist Leben in der uns bekannten Form nicht möglich. Die Erforschung von Wasser hat nicht nur daher für die Wissenschaft große Bedeutung.

Bild: Bei der Umwandlung von HDA-Eis in LDA-Eis nimmt das Eis-Volumen spontan um rund ein Viertel zu. Das ließ sich bereits vor der aktuellen Untersuchung beobachten. Fotos: Katrin Amann-Winkel/Filippo Cavalca, Universität Stockholm