Wassereis bei über hundert Grad Celsius

Unter normalem Luftdruck von einer Atmosphäre gefriert Wasser bei null und verdampft bei hundert Grad Celsius. Diese Phasenwechsel von Wasser sind unter Normalbedingungen sehr gut bekannt und erforscht. Doch eingefüllt in winzige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff offenbart Wasser ein völlig anderes Verhalten. Abhängig vom Durchmesser der Röhrchen konnten Physiker nun sogar gefrorenes Wasser bei weit über hundert Grad Celsius beobachten. Ihre Experimente, die sie in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ präsentieren, könnten für die Entwicklung nanoskaliger Ventile oder Membranen von großer Bedeutung sein.

Modell der Nanoröhrchen

„Erstmals untersuchten wir die Phasenübergänge von Wasser innerhalb von einzelnen Nanoröhrchen aus Kohlenstoff“, sagt Kumar Varoon Agrawal vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Zusammen mit seinen Kollegen ließ er zunächst Nanoröhrchen mit verschiedenen Durchmessern zwischen einem und 1,5 Nanometern aus einer Methanatmosphäre wachsen. Diese Röhrchen deponierten die Forscher auf einer extrem sauberen Unterlage aus Silizium. Eingesetzt in ein Wasserbad konnten sich die einzelnen Röhrchen mit Wassermolekülen füllen.

Theoretische Modelle legten bereits zuvor nahe, dass in Nanoröhrchen gefülltes Wasser schon bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt gefrieren könnte. Doch in den Experimenten fand das Team überraschend höhere Werte. So zeigten spektroskopische Untersuchungen bei Röhrchen mit einem Durchmesser von 1,05 Nanometern noch Eiskristalle bei 138 Grad Celsius. Bei Röhrchen mit einem Durchmesser von etwa 1,5 Nanometern entstand Wassereis erst bei etwas niedrigeren Temperaturen zwischen 14 und 49 Grad Celsius.

Die Experimente zeigten, dass der Gefrierpunkt von Wasser offenbar stark vom Durchmesser der gefüllten Nanoröhrchen abhängt. Anhand der Messungen schließen die Forscher auf ein exotisches thermodynamisches Verhalten von auf engstem Raum eingeschlossenen Wassermolekülen. Verantwortlich für die hohen Gefrierpunkte seien sogenannte Einschlusseffekte, die einen Einfluss auf den Wärmehaushalt der Wassermoleküle und damit auf deren Anordnung in mitunter geordneten Kristallen haben. Genauere Analysen dieses Verhaltens könnten bei der Entwicklung von Membranen mit nanoskaligen Poren und für winzige Ventile eine wichtige Rolle spielen.