Schneller schlau: Wie kalt kann Wasser werden?

Wasser muss nicht zwangsläufig ab 0 Grad Celsius zu Eis werden. Ohne größere Verunreinigungen, die als Kristallisationskeime dienen, kann Wasser noch wesentlich weiter abgekühlt werden, ehe es den Aggregatzustand von flüssig zu fest wechselt.

Die magische Temperaturgrenze, bis zu der Wasser flüssig bleiben kann, haben Valeria Molinero und Emma Moore von der University of Utah in Salt Lake City jetzt ermittelt. Sie konnten nachweisen, dass sich erst bei minus 48 Grad Celsius die molekulare Struktur des Wasser so verändert, dass der Gefriervorgang zwangsläufig einsetzt.

Flüssiges Wasser ist ein Netzwerk aus Wassermolekülen, die lose über so genannte Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. Um ihm die regelmäßige, feste Kristallstruktur von Eis zu verleihen, muss sich zunächst ein kleiner, meist nur nanometergroßer Kern aus Eis bilden, der sich dann, wenn er eine bestimmte kritische Größe überschreitet, über das gesamte Volumen ausbreitet.

In völlig reinem Wasser kann sich ein solcher Kern nur durch spontane Strukturveränderungen ausbilden. Und genau das passiert bei minus 48 Grad Celsius: Bei dieser Temperatur bilden die Wassermoleküle vermehrt Tetraeder aus, in denen ein Wassermolekül lose mit drei anderen verbunden ist. Die spezielle Form stabilisiert die winzigen Eiskerne und sorgt so dafür, dass das Wasser seine theoretisch höchste Kristallisationsrate erreicht und dadurch frieren muss.

Um diesen Vorgang auf molekularer Ebene genau beobachten zu können, mussten Molinero und Moore sich allerdings superschneller Computermodelle bedienen: Ab etwa minus 41 Grad Celsius kristallisiert Eis nämlich zu schnell, um verbleibendes Wasser noch messen zu können. Also berechneten sie über Stunden das Verhalten von über 32.000 Wassermolekülen – was der Menge eines winzigen Wassertropfens entspricht.

Forscher wissen schon lange, dass Wasser im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten häufig äußerst spezielles Verhalten an den Tag legt. So ist beispielsweise sehr ungewöhnlich, dass Wasser seine höchste Dichte noch im flüssigen Zustand bei rund 4 Grad Celsius aufweist. Die spontane Strukturveränderung hin zur Tetraderform könnte nun möglicherweise auch eine Erklärung für derartige Besonderheiten liefern.