Die NMR-Spin-Gitter-Relaxationszeit ist bei niedrigen Temperaturen sehr gering

Wissenschaftliche Erklärung

Die kernmagnetische Resonanz (NMR) ist eine Messtechnik, bei der Atomkerne in einem starken Magnetfeld angeregt werden und dann wieder in ihren Gleichgewichtszustand zurückkehren. Die Zeit, die dieser Rückkehrprozess benötigt, heisst Spin-Gitter-Relaxationszeit T1. Sie ist ein Mass dafür, wie effizient die Kernspins ihre Energie an die molekulare Umgebung (das “Gitter”) abgeben können.

Bei Wasser zeigt T1 ein anomales Verhalten: Im Bereich oberhalb von 0 Grad Celsius nimmt T1 mit sinkender Temperatur ab, was normal ist — die Moleküle bewegen sich langsamer und koppeln besser an die Spins. Doch im unterkühlten Bereich unterhalb von 0 Grad Celsius fällt T1 viel steiler als erwartet und erreicht aussergewöhnlich kurze Werte. Diese beschleunigte Relaxation deutet darauf hin, dass die Molekulardynamik in unterkühltem Wasser qualitativ anders ist als bei einer normalen Flüssigkeit.

Der physikalische Mechanismus hängt mit den kooperativen Bewegungen im Wasserstoffbrückennetzwerk zusammen. Bei niedrigen Temperaturen bilden sich grössere zusammenhängende Cluster von Molekülen, die sich als Einheit bewegen. Diese langsamen, grossräumigen Fluktuationen erzeugen starke magnetische Feldgradienten an den Kernpositionen und beschleunigen die Relaxation. Das Phänomen ist eng mit der Hypothese des zweiten kritischen Punktes verknüpft: In der Nähe dieses Punktes würden die kooperativen Bereiche immer grösser werden und T1 gegen null treiben.

Experimentell ist die Messung anspruchsvoll, weil unterkühltes Wasser dazu neigt, spontan zu kristallisieren. Forscher nutzen daher Emulsionen aus winzigen Wassertröpfchen in Öl oder Wasser in nanoporösen Materialien, um die Kristallisation zu unterdrücken und T1 auch bei minus 30 bis minus 40 Grad Celsius zu messen.

Alltagsrelevanz

Obwohl NMR eine rein wissenschaftliche Technik ist, basiert die medizinische Magnetresonanztomografie (MRT) auf denselben Prinzipien. Die T1-Relaxationszeit bestimmt den Kontrast in MRT-Bildern: Verschiedene Gewebe erscheinen hell oder dunkel, je nachdem wie schnell ihre Wassermoleküle relaxieren. Die anomalen Relaxationseigenschaften von Wasser sind daher indirekt dafür verantwortlich, dass MRT-Bilder den hervorragenden Weichteilkontrast liefern, der sie in der medizinischen Diagnostik so wertvoll macht.