Die Dichte von Eis nimmt bei Erwärmung bis zu 70 K zu
Bei niedrigen Temperaturen dehnt sich Eis beim Abkühlen aus, statt sich zusammenzuziehen.
Wissenschaftliche Erklärung
Die meisten Feststoffe verhalten sich einfach: Beim Abkühlen ziehen sich ihre Atome näher zusammen, und die Dichte steigt. Eis hingegen zeigt ein überraschendes Verhalten. Erwärmt man es ausgehend von Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, nimmt seine Dichte zunächst zu — bis etwa 70 Kelvin (rund minus 203 Grad Celsius). Erst oberhalb dieser Temperatur beginnt die Dichte wie bei normalen Feststoffen wieder abzunehmen.
Dieses Verhalten hängt mit der offenen, teträdrischen Kristallstruktur von Eis Ih zusammen. Bei sehr niedrigen Temperaturen führen quantenmechanische Nullpunktschwingungen dazu, dass die Sauerstoffatome stärker um ihre Gleichgewichtslage oszillieren, als es die klassische Physik erwarten liesse. Diese Schwingungen blähen die ohnehin offene Eisstruktur zusätzlich auf. Beim Erwärmen bis 70 K gewinnen die thermischen Schwingungen an Gleichmässigkeit und die Struktur wird etwas kompakter, bevor bei noch höheren Temperaturen die übliche thermische Ausdehnung dominiert.
Dieses Phänomen ist auch als “negative thermische Ausdehnung” bei tiefen Temperaturen bekannt und wird bei verschiedenen Eisphasen beobachtet, wobei das Ausmass je nach Kristallstruktur variiert.
Alltagsrelevanz
Dieses Phänomen spielt sich zwar bei extrem tiefen Temperaturen ab, die im Alltag nicht vorkommen, hat aber Bedeutung für die Weltraumforschung und die Planetenwissenschaft. Eis kommt auf Kometen, Monden wie Europa und Enceladus sowie in interstellaren Wolken bei genau diesen Temperaturen vor. Das ungewöhnliche Ausdehnungsverhalten beeinflusst die mechanischen Eigenschaften und das Verhalten von Eiskrusten auf diesen Himmelskörpern.
Für die Grundlagenphysik ist dieses Verhalten ein faszinierendes Beispiel dafür, wie Quanteneffekte selbst bei einem so alltäglichen Material wie Wasser sichtbar werden können.