Flüssiges Wasser existiert bei extrem niedrigen Temperaturen und gefriert bei Erwärmung
Unter bestimmten Bedingungen kann Wasser bei sehr tiefen Temperaturen flüssig sein und beim Erwärmen kristallisieren.
Wissenschaftliche Erklärung
Dass Wasser beim Abkühlen gefriert, erscheint selbstverständlich. Doch unter bestimmten Bedingungen passiert das Gegenteil: Wasser bleibt bei extrem niedrigen Temperaturen flüssig und kristallisiert erst beim Erwärmen. Dieses kontraintuitive Verhalten wurde experimentell bestätigt und stellt eine der faszinierendsten Anomalien des Wassers dar.
Der Schlüssel liegt im amorphen Eis. Wenn man amorphes (glasartiges) Eis langsam erwärmt, durchläuft es einen Glasübergang und wird zu einer extrem zähflüssigen Flüssigkeit — bei Temperaturen von etwa minus 140 Grad Celsius bis minus 120 Grad Celsius. Dieses flüssige Wasser existiert also weit unter dem normalen Gefrierpunkt. Erwärmt man es weiter, erreicht es eine Temperatur, bei der die molekulare Beweglichkeit ausreicht, um kristalline Eiskerne zu bilden — und das Wasser gefriert plötzlich bei steigender Temperatur.
Dieses Verhalten wurde auch in Nanoporen beobachtet, wo die räümliche Einschränkung die Kristallisation verhindert und Wasser bei Temperaturen bis minus 163 Grad Celsius flüssig bleibt. In solchen eingeschränkten Geometrien kann Wasser in einem Zustand existieren, der auf der normalen Phasenkurve nicht zugänglich wäre.
Die Existenz von flüssigem Wasser bei solch extremen Temperaturen liefert wichtige Hinweise auf die Struktur und das Verhalten von Wasser im sogenannten “Niemandsland” — dem Temperaturbereich zwischen etwa minus 38 und minus 120 Grad Celsius, in dem herkömmliche Experimente an der sofortigen Kristallisation scheitern.
Alltagsrelevanz
Dieses Phänomen mag exotisch klingen, hat aber Bedeutung für verschiedene Bereiche. In der Astrophysik spielt amorphes Eis eine wichtige Rolle: Auf Kometen und in interstellaren Wolken kommt Wasser überwiegend in amorpher Form vor. Wenn sich diese Eiskörner der Sonne nähern und erwärmt werden, könnte der Übergang von amorph zu kristallin ähnlich ablaufen — mit Auswirkungen auf die Freisetzung eingeschlossener Gase.
Für die Kryobiologie ist das Verständnis dieser Tieftemperaturphasen essenziell. Wenn man Zellen oder biologische Proben aus der Kryokonservierung zurückgewinnt, muss der Erwärmungsprozess sorgfältig kontrolliert werden, um zu verhindern, dass das amorph erhaltene Wasser während des Aufwärmens kristallisiert und die Zellen dadurch geschädigt werden.