Durchbruch beim Verständnis der Eisbildung in Wolken

Ein internationales Forschungsteam der Universität Bielefeld, der Universität Wien und der Universität Helsinki hat die molekularen Grundlagen der außergewöhnlich hohen Eiskeimfähigkeit des Feldspat-Minerals Mikroklin entschlüsselt. Die Studie zeigt, wie die spezifische Oberflächenchemie und -struktur heterogene Kristallisationsprozesse triggert, welche die Wolkenphase, Niederschlagsdynamiken und das globale Strahlungsgleichgewicht maßgeblich beeinflussen. Eine visuelle Aufbereitung der Ergebnisse ist in einem Beitrag der Reihe research_tv der Universität Bielefeld dokumentiert.

In der Atmosphäre initiiert aerosolgebundener Mineralstaub als heterogener Nukleationskeim das Gefrieren unterkühlter Wassertropfen. „Wir konnten zeigen, dass beim Mineral Mikroklin bereits atomar flache Oberflächen effektiver Eis bilden als bei nah verwandten Mineralien,“ sagt Dr. Florian Schneider. „Damit zeigen wir erstmals, wie die außergewöhnliche Eisbildungsfähigkeit von Feldspat Mineralien von der atomaren Struktur abhängt.“

Rolle der Oberflächenfunktionalisierung versus Topographie

Entgegen der bisherigen Annahme, dass die heterogene Nukleation primär an topographischen Defekten wie Mikrorissen oder Stufenkanten lokalisiert ist, belegen die experimentellen Daten eine chemische Steuerung durch die kristallographische Anordnung. Mikroklin präsentiert an seiner Oberfläche spezifische Aluminolgruppen, deren räumliche Konfiguration eine hohe Bindungsaffinität zu Wassermolekülen aufweist. Diese funktionellen Gruppen koordinieren das Adsorbat und stabilisieren die kritischen Keimgrößen der initialen Eisphase.

Nukleation über hochindizierte Eiskristallflächen

Das Keimwachstum verläuft dabei über eine unerwartete Kristallgeometrie. „Interessanterweise passt die Struktur der stabilsten Oberfläche von Mikroklin eigentlich nicht gut zur Struktur der typischen Kristallflächen von Eis. Die Eiskristalle in unseren Experimenten wachsen deshalb ausgehend von einer eher unkonventionellen, sogenannten hochindizierten Kristallfläche“, sagt Dr. Tobias Dickbreder. „Dieses überraschende Ergebnis liefert eine ganz neue Perspektive auf die Bedeutung von hochindizierten Kristallflächen für das Verständnis von heterogener Eisbildung.“

Nanoskalige Analytik und Modellierung

Der direkte Nachweis der subnanometrischen Eiscluster gelang mittels hochauflösender Rasterkraftmikroskopie (AFM) in Kombination mit molekulardynamischen Computersimulationen. Die beobachteten Keimbildungsmechanismen auf der Nanoskala liefern quantitative Parameter zur Optimierung atmosphärischer Transport- und Klimamodelle.
Professorin Dr. Angelika Kühnle ordnet den methodischen Fortschritt ein: „Dass wir das Wachstum der ersten Eiskristalle direkt beobachten konnten, ist ein methodischer Durchbruch. Unsere Ergebnisse zeigen, wie stark kleinste Strukturen auf Mineraloberflächen großräumige atmosphärische Prozesse beeinflussen können.“

Quelle

Universität Bielefeld (08/2026)