Fortgeschritten #7

Wasser hat zwei flüssige Phasen und einen zweiten kritischen Punkt

Bei etwa -91 Grad Celsius wird ein zweiter kritischer Punkt vermutet, an dem zwei flüssige Phasen köxistieren.

Wissenschaftliche Erklärung

Die meisten Flüssigkeiten existieren in nur einer flüssigen Phase. Wasser hingegen verhält sich möglicherweise anders: Theoretische Modelle und Computersimulationen legen nahe, dass es bei sehr tiefen Temperaturen und hohem Druck zwei verschiedene flüssige Formen von Wasser gibt — eine mit hoher Dichte (HDL, High-Density Liquid) und eine mit niedriger Dichte (LDL, Low-Density Liquid).

Diese beiden Formen unterscheiden sich in der Anordnung der Wasserstoffbrückenbindungen. In LDL bilden die Moleküle ein offenes, teträderförmiges Netzwerk ähnlich wie in Eis, was zu einer geringeren Dichte führt. In HDL sind die Moleküle dichter gepackt, mit verzerrten und teilweise gebrochenen Wasserstoffbrücken, was eine höhere Dichte ergibt.

Der hypothetische zweite kritische Punkt — der Punkt, an dem der Unterschied zwischen HDL und LDL verschwindet — wird bei etwa minus 91 Grad Celsius und rund 100 MPa Druck vermutet. Diesen Punkt experimentell zu erreichen, ist extrem schwierig, weil Wasser in diesem Temperaturbereich normalerweise sofort kristallisiert. Dieses Gebiet wird deshalb als “Niemandsland” (no man’s land) der Wasserforschung bezeichnet.

Neuere Experimente mit ultraschnellem Erwärmen von amorphem Eis und Messungen in Nanoporen haben jedoch zunehmend Hinweise geliefert, die die Hypothese des zweiten kritischen Punktes stützen. Sollte sich diese Hypothese bestätigen, würde sie viele der anderen Anomalien des Wassers elegant erklären — als Fernwirkung dieses verborgenen kritischen Punktes auf das Verhalten bei höheren Temperaturen.

Two Liquid Phases of Water and the Second Critical Point Schematic phase diagram showing the hypothesized second critical point of water at approximately -91 degrees Celsius and 100 MPa, where high-density liquid water and low-density liquid water coexist. The liquid-liquid coexistence line separates the two phases. Temperature Pressure -91 °C 0 °C HDL (High-Density Liquid) LDL (Low-Density Liquid) 2nd Critical Point ~-91 °C, ~100 MPa Ice Hypothesized Second Critical Point of Water
Hypothetischer zweiter kritischer Punkt von Wasser, an dem die Flüssig-Flüssig-Köxistenzlinie zwischen HDL und LDL endet.

Alltagsrelevanz

Auch wenn der zweite kritische Punkt in einem Temperaturbereich liegt, der im Alltag nicht vorkommt, beeinflusst er unser tägliches Leben indirekt. Die Theorie besagt, dass viele “alltägliche” Anomalien des Wassers — wie die Dichteanomalie bei 4 Grad Celsius, die hohe Wärmekapazität oder das ungewöhnliche Kompressibilitätsverhalten — Auslaufer dieses verborgenen kritischen Punktes sind.

Für die Kryobiologie ist das Verständnis der zwei flüssigen Phasen von grosser Bedeutung: Wenn man Zellen oder Organe für Transplantationen einfriert, muss man genau verstehen, wie sich Wasser bei tiefen Temperaturen verhält. Die Möglichkeit, Wasser in einem glasartigen Zustand (Vitrifikation) statt als kristallines Eis zu konservieren, hängt direkt mit dem Wechselspiel zwischen HDL und LDL zusammen.