Posted in: Chemie, Physik 20. September 2012 20:00 Weiter lesen →

Wie Wasser zur Ordnung findet

Grafik zeigt Wassermoleküle als rote Kugeln mit je zwei anhängenden weißen Kugeln. In einem kleinen Haufen ungeordnet, im Zentrum eines etwas größeren Haufens wabenförmig angeordnet Wenn ein Haufen kalter Wassermoleküle zusammenkommt, entsteht nicht automatisch Eis. Das demonstrieren Messungen, die Göttinger und Prager Forscher im Magazin „Science“ vorstellen. Erst ab einer Zahl von ungefähr 275 Molekülen bildet sich die typische Kristallstruktur von Wassereis heraus.

In der Molekülsimulation ist ein Cluster aus 123 Wassermolekülen noch ein amorpher Haufen, während einer aus 293 Molekülen bereits einen kristallinen Kern enthält. Grafik: Victoria Buch, Christoph Pradzynski und Udo Buck

Je mehr Moleküle hinzukommen, umso stärker greift die Kristallstruktur aus regelmäßig angeordneten Molekülen um sich, beobachteten die Forscher um Thomas Zeuch von der Universität Göttingen und Udo Buck vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Ab einer Zahl von knapp 500 Wassermolekülen dominiert sie schließlich die gesamte Ansammlung.

In typischem Wassereis ist jedes Wassermolekül (H2O) so angeordnet, dass seine zwei Wasserstoffatome auf die Sauerstoffatome zweier Nachbarmoleküle ausgerichtet sind. Frühere Untersuchungen hatten gezeigt, dass diese Kristallstruktur erst in Ansammlungen von einigen Hundert Molekülen auftritt.

Mit einem raffinierten Experiment loteten die Göttinger Forscher den Übergang von Unordnung zu Ordnung genauer aus. Zunächst pressten sie ein Gasgemisch aus Helium und Wasser durch eine Düse in ein Vakuum. Indem sich das Gas schlagartig ausdehnte und abkühlte, bildeten sich unterschiedlich große Ansammlungen von Wassermolekülen. Diese flogen durch eine Kammer, in der sie ein Natriumatom auflasen. Daraufhin wurde das eingebettete Natriumatom durch Laserbeschuss ionisiert, um mehr über die Struktur des umgebenden Wassers zu erfahren.

Die Ionisierung erfolgte durch ultraviolettes Laserlicht, das gerade eben ein Elektron aus dem Natriumatom herauslösen konnte. Zuvor jedoch regten die Forscher die Wassercluster mit einem Infrarotlaser an. Je besser dessen Energie zu der Energie der verschiedenen Wassermolekülschwingungen passte, desto effektiver war das „Vorwärmen“ und desto leichter wurde das eingebettete Natriumatom durch den UV-Laser ionisiert. Indem sie die Wellenlänge des Infrarotlasers variierten und jeweils den Ionisierungserfolg registrierten, konnten die Forscher daher das Schwingungsspektrum der Wassercluster aufnehmen.

Grafik zeigt Wassermoleküle als rote Kugeln mit je zwei anhängenden weißen Kugeln, angeordnet in einem wabenförmigen Muster In einem Cluster aus 600 Wassermolekülen ist dagegen nur noch die Oberfläche amorph. Grafik: Victoria Buch, Christoph Pradzynski und Udo Buck

Bei sehr kleinen Ansammlungen wies dieses Spektrum einen breiten Gipfel auf, wie er für amorphes Eis aus ungeordneten Wassermolekülen typisch ist. Erst bei Gebilden mit 275 Wassermolekülen erschien ein Gipfel bei einer Wellenlänge von 3,125 Mikrometern (entsprechend einer Wellenzahl von 3.200 pro Zentimeter), der den Übergang zur kristallinen Struktur markiert. Dieser Gipfel wurde mit wachsender Molekülzahl immer ausgeprägter und dominierte schließlich das Spektrum, beobachteten Zeuch, Buck und Kollegen. Wahrscheinlich hätten kleine Ansammlungen nur einen kristallinen Kern, folgern die Forscher, während bei größeren nur noch die Moleküle an der Oberfläche ungeordnet seien.

Forschung: Christoph C. Pradzynski, Richard M. Forck und Thomas Zeuch, Institut für Physikalische Chemie, Georg-August-Universität Göttingen; Petr Slavíček, Institute of Chemical Technology, Prag; Udo Buck, Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen

Veröffentlichung Science, Vol. 337, pp 1529–32, DOI 10.1126/science.1225468

WWW:
Suhm Group, Uni Göttingen
Arbeitsgruppe Udo Bock, MPI-DS
Molekülkristalle: Eis
Water Absorption Spectrum

Lesen Sie dazu im Scienceticker:
Wasser macht die Säure
Der kleinste Schnaps
Eis verklebt angehende Planeten

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