Röntgenlaser erlaubt Einblicke in Anomalien von Wasser

Durch den Einsatz von Röntgenlasern gelang es einem internationalen Forschungsteam der Universitäten Stockholm und Pohang sowie des MPI für Polymerforschung, die Existenz eines kritischen Punktes in unterkühltem Wasser experimentell zu belegen. Dieser liegt bei einer Temperatur von etwa -63 °C und einem Druck von 1000 Atmosphären. Die Entdeckung erklärt maßgeblich die außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften von gewöhnlichem Wasser bei höheren Temperaturen und niedrigerem Druck, da dieses entscheidend durch die Präsenz dieses kritischen Punktes beeinflusst wird.

Das Rätsel der Wasser-Anomalien: Kritischer Punkt als Ursprung identifiziert

Wasser ist für das Leben auf der Erde unverzichtbar, verhält sich jedoch im Vergleich zu anderen Stoffen höchst ungewöhnlich. Während Materie beim Abkühlen normalerweise schrumpft und ihre Dichte erhöht, erreicht Wasser seine maximale Dichte bereits bei 4 °C und dehnt sich bei weiterer Abkühlung wieder aus – ein Phänomen, das dafür sorgt, dass Eiswürfel oben schwimmen. Diese seltsamen Reaktionen von Dichte, Viskosität, Wärmekapazität und Kompressibilität auf Temperatur- oder Druckänderungen verstärken sich im unterkühlten Zustand unter 0 °C sogar noch. Mithilfe ultrakurzer Röntgenimpulse an Röntgenlasern konnten Forschende nun nachweisen, dass Wasser bei starker Unterkühlung einen kritischen Punkt besitzt, welcher die physikalische Ursache für all diese außergewöhnlichen Eigenschaften darstellt.

„Das Besondere war, dass wir unvorstellbar schnell Röntgenaufnahmen machen konnten, bevor das Eis gefror, und beobachten konnten, wie der Flüssig-Flüssig-Übergang verschwindet und ein neuer kritischer Zustand entsteht“, sagt Professor Anders Nilsson. „Seit Jahrzehnten gibt es Spekulationen und verschiedene Theorien, um diese bemerkenswerten Eigenschaften zu erklären, und eine dieser Theorien war die Existenz eines kritischen Punktes. Nun haben wir festgestellt, dass ein solcher Punkt tatsächlich existiert.“

Der kritische Punkt: Warum Wasser zwischen zwei Zuständen schwankt

Die Einzigartigkeit von Wasser beruht auf seiner Fähigkeit, bei niedrigen Temperaturen und hohem Druck in zwei unterschiedlichen makroskopischen Flüssigkeitsphasen zu existieren, in denen die Moleküle jeweils verschieden miteinander verbunden sind. Steigt die Temperatur und sinkt der Druck, verschwindet der Unterschied zwischen diesen Phasen an einem Punkt großer Instabilität – dem kritischen Punkt. In einem weiten Bereich bis hin zu normalen Umgebungsbedingungen schwankt das Wasser unentschlossen zwischen diesen beiden Zuständen oder Mischformen, was ihm letztlich seine ungewöhnlichen Eigenschaften verleiht.

Jenseits dieses Punktes gilt Wasser als überkritisch, ein Zustand, in dem es sich auch unter Alltagsbedingungen befindet. Über den Ursprung dieser Anomalien wird bereits seit Wolfgang Röntgen intensiv debattiert. „Als Ausgangspunkt für unsere experimentelle Studie haben wir amorphes Eis als Modellsystem verwendet. Spannend ist es nun, die Auswirkungen unserer Ergebnisse hinsichtlich ihrer Bedeutung bei physikalischen, chemischen, biologischen sowie klima-relevanten Prozessen zu verstehen“, sagt Professorin Katrin Amann Winkel.

Quelle

Max-Planck-Institut für Polymerforschung (03/2026)