Unter hohem Druck entfernen sich Wassermoleküle mit zunehmendem Druck immer weiter voneinander
Bei hohem Druck nimmt der mittlere Abstand zwischen Wassermolekülen paradoxerweise zu.
Wissenschaftliche Erklärung
Eines der kontraintuitivsten Verhalten von Wasser unter hohem Druck ist das sogenannte Dichte-Abstands-Paradoxon: Obwohl die Dichte mit steigendem Druck zunimmt — das Wasser also kompakter wird —, wächst gleichzeitig der mittlere Abstand zwischen den nächsten Sauerstoff-Nachbarn. Auf den ersten Blick scheint das ein Widerspruch zu sein: Wie kann etwas dichter werden, wenn sich die Moleküle voneinander entfernen?
Die Lösung liegt in der Unterscheidung zwischen den nächsten Nachbarn und der Gesamtpackung. Bei niedrigem Druck bildet Wasser ein teträdrisches Netzwerk mit etwa vier nächsten Nachbarn in einem festen Abstand von rund 2,8 Angström. Die teträdrische Geometrie lässt jedoch grosse Lücken zwischen den Netzwerkpositionen. Unter hohem Druck werden zusätzliche Moleküle in diese Lücken gepresst — die sogenannten interstitiellen Moleküle. Die Gesamtzahl der Moleküle pro Volumeneinheit steigt (höhere Dichte), aber gleichzeitig wird der Abstand zwischen den durch Wasserstoffbrücken verbundenen nächsten Nachbarn leicht grösser, weil die eingeschobenen Moleküle die Brücken dehnen.
Röntgen- und Neutronenbeugungsexperimente bei Drücken bis zu mehreren Gigapascal bestätigen diesen Effekt. Die erste Koordinationsschale des Sauerstoffs verschiebt sich zu grösseren Abständen, während die zweite Koordinationsschale näher rückt und sich mit der ersten überlappt. Es ist wichtig festzuhalten, dass dieses Paradoxon Gegenstand aktiver Forschung bleibt. Verschiedene experimentelle Methoden und Simulationstechniken liefern leicht unterschiedliche Details, und die genaue Abhängigkeit von Druck und Temperatur wird weiter untersucht.
Alltagsrelevanz
Obwohl dieses Phänomen erst bei sehr hohen Drücken auftritt, die weit jenseits des Alltags liegen, hat es Bedeutung für das Verständnis von Wasser im Erdinneren. In der Erdkruste und im oberen Mantel existiert Wasser unter extremen Bedingungen, wo es chemische Reaktionen, Mineralöse und sogar tektonische Prozesse beeinflusst. Die ungewöhnliche Strukturänderung unter Druck bestimmt, wie Wasser in diesen Umgebungen als Lösungsmittel und Transportmedium wirkt. Auch für die Materialwissenschaft liefert dieses Paradoxon ein warnendes Beispiel: Dichte und Abstand sind nicht immer so einfach verknüpft, wie die Intuition es nahelegt.