Künstlerische Darstellung der beiden Varianten von flüssigem Wasser

Flüssiges Wasser kommt in zwei Varianten vor

Wasser unterscheidet sich in einigen Eigenschaften, wie beispielsweise der Dichte, von anderen Flüssigkeiten. Nun hat ein internationales Forscherteam mithilfe von Röntgenstrahlung eine weitere Besonderheit beobachtet: Flüssiges Wasser tritt bei tiefen Temperaturen in zwei Varianten auf, die sich in Struktur und Dichte unterscheiden. Über die neuen Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences“.

Wenn sich amorphes Eis mit hoher Dicher umwandelt, nimmt sein Volumen zu. Dies ist in vier Aufnahmen dargestellt.
Amorphes Eis

Die Forscher untersuchten sogenanntes amorphes Eis, dessen Molekülketten unregelmäßig angeordnet sind – ähnlich der molekularen Struktur von Glas. Amorphes Eis kommt in zwei Varianten vor: einer mit hoher und einer mit niedrigerer Dichte. Schon länger vermutete man, dass auch flüssiges Wasser in unterschiedlichen Formen auftreten kann. Wissenschaftler um Fivos Perakis von der Universität Stockholm konnten dies nun erstmals nachweisen, indem sie die Position von Wassermolekülen mit Röntgenstreuexperimenten am Argonne National Laboratory in den USA ermittelten. Demnach wandelt sich amorphes Eis mit hoher Dichte in eine Form niedrigerer Dichte um, wenn es erwärmt wird. Die Dynamik dieses Phasenübergangs verfolgte das Team dann an der Röntgenlichtquelle PETRA III am DESY in Hamburg. Es zeigte sich, dass das Eis mit hoher Dichte zunächst in eine Flüssigkeit mit hoher Dichte übergeht, die sich dann in eine mit niedrigerer Dichte umwandelt. „Wir konnten die Transformation der Probe zwischen den beiden Phasen bei tiefen Temperaturen verfolgen und zeigen, dass eine Diffusion einsetzt – wie es typisch ist für Flüssigkeiten“, so Perakis.

Die neuen Ergebnisse helfen dabei, das grundsätzliche Verhalten von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken noch besser zu verstehen. Mit weiteren Experimenten wollen die Wissenschaftler klären, ob Wasser auch bei Zimmertemperatur in den beiden neu beobachteten flüssigen Formen auftritt. Zudem könnten die Ergebnisse dazu beitragen, neue Prozesse zu entwickeln, mit denen Wasser künftig gereinigt und entsalzt werden kann.