Wie schmelzen Eiskristalle?

Computersimulation zeigt das Aufbrechen von Kristallbindungen

Wassermoleküle in der Computersimulation
Wassermoleküle in der Computersimulation

Uppsala (Schweden) - In diesem Winter konnten sich bisher nur Wenige in Deutschland an einer weißen Schneedecke erfreuen. Meist schmolz die Pracht wieder schnell dahin. Wie dieser Schmelzprozess genau vor sich geht, konnten nun schwedische Physiker mit einer Art Trickfilm simulieren. Das Aufbrechen der kristallinen Struktur beschreiben sie im Fachblatt "Angewandte Chemie".

Carl Caleman und David van der Spoel von der Universität Uppsala fütterten einen Computer mit Daten über Eiskristalle und Laserpulse. Das Ergebnis der Berechnungen konnten sie in einem kurzen Trickfilm mit einer zeitlichen Auflösung von Millionstel Teilen einer Milliardstel Sekunde festhalten. Der heizende kurze Laserpuls bringt dabei zuerst die OH-Bindungen innerhalb der kristallisierten Wassermoleküle zum Schwingen. Direkt nach dem Puls erreicht diese Vibrationsenergie ihr Maximum. Nach etwa einer Pikosekunde hat sich ein Großteil der Vibrationsenergie in Rotationsenergie umgewandelt. Die Moleküle beginnen, sich aus ihren Positionen im Kristall herauszudrehen und die vorher stabilen Wasserstoffbrückenbindungen brechen. Nach etwa drei bis sechs Pikosekunden nehmen diese Drehungen zu Gunsten von geradförmigen Bewegungen ab. Die Moleküle sind nun frei beweglich, die Kristallstruktur bricht zusammen, das Eis schmilzt.

Solche Simulationen der Moleküldynamik sind ideal geeignet, um Prozesse wie Schmelzen oder Einfrieren besser zu verstehen. Wichtig für den Schmelzprozess ist das Aufbrechen der Symmetrie im Eiskristall. Danach ist die Wahrscheinlichkeit für Schmelzprozesse in der direkten Umgebung des Kristalldefekts deutlich erhöht. Der Schmelzvorgang breitet sich von dieser Stelle nach und nach weiter aus. An anderen Stellen dagegen kann das Eis noch eine Weile als Kristall bestehen bleiben.