Fortgeschritten #8

Flüssiges Wasser lässt sich leicht unterkühlen, aber nur schwer glasig machen

Wasser kann weit unter 0 Grad Celsius flüssig bleiben, doch die Bildung von amorphem Eis ist schwierig.

Wissenschaftliche Erklärung

Wasser muss nicht zwingend bei 0 Grad Celsius gefrieren. In Abwesenheit von Keimbildungszentren — winzigen Verunreinigungen oder Oberflächendefekten, an denen sich die ersten Eiskristalle bilden können — kann flüssiges Wasser weit unter seinen Gefrierpunkt abgekühlt werden, ohne zu kristallisieren. Diesen Zustand nennt man Unterkühlung (Supercooling).

Im Labor lässt sich reines Wasser in kleinen Tröpfchen bis auf etwa minus 41 Grad Celsius unterkühlen, bevor die spontane Keimbildung (homogene Nukleation) einsetzt und das Wasser schlagartig gefriert. Diese Temperatur wird als homogene Nukleationstemperatur bezeichnet und stellt eine praktische Untergrenze für die Unterkühlung dar.

Was Wasser dabei besonders macht, ist der Kontrast zwischen leichter Unterkühlung und schwerer Vitrifikation (Glasbildung). Viele Substanzen lassen sich relativ einfach in einen glasartigen Zustand überführen, indem man sie schnell genug abkühlt. Bei Wasser ist dies extrem schwierig: Die Kühlrate müsste etwa 10 hoch 6 Kelvin pro Sekunde betragen — millionenfach schneller als bei vielen anderen Flüssigkeiten. Der Grund liegt in der starken Tendenz des Wassers, kristalline Strukturen zu bilden, angetrieben durch die teträderförmige Anordnung der Wasserstoffbrückenbindungen.

Amorphes Eis — also glasartiges, nicht-kristallines Eis — lässt sich im Labor dennoch erzeugen, etwa durch Dampfkondensation auf extrem kalten Oberflächen oder durch Hochdruckmethoden. Diese verschiedenen Formen amorphen Eises (LDA, HDA, VHDA) sind für die Wasserforschung von grossem Interesse, weil sie möglicherweise die gefrorenen Entsprechungen der hypothetischen zwei flüssigen Phasen darstellen.

Abkühlungskurve mit Unterkühlung: Die Temperatur fällt unter den Gefrierpunkt, bevor die Kristallisation einsetzt und die Temperatur auf 0 Grad Celsius zurückspringt.

Alltagsrelevanz

Unterkühlung begegnet uns öfter, als man denkt. In der Atmosphäre existieren unterkühlte Wassertröpfchen in Wolken bis hinunter zu minus 38 Grad Celsius. Wenn diese Tröpfchen auf kalte Oberflächen treffen, gefrieren sie schlagartig — das kennen wir als Blitzeis oder Eisregen, eine der gefährlichsten Strassenbedingungen im Winter.

Auch in der Medizin spielt die Unterkühlung eine wichtige Rolle. Die Kryokonservierung von Zellen, Geweben und Organen zielt darauf ab, Wasser möglichst ohne Kristallbildung einzufrieren, da Eiskristalle die Zellmembranen zerstören würden. Die Schwierigkeit, Wasser zu vitrifizieren, ist eines der grössten Hindernisse für die Langzeitkonservierung ganzer Organe.