Wissenschaftler frieren Wasser mit Wärme ein

Stellen Sie sich vor, Wasser gefriert fest, während es sich erwärmt. Das sind die bizarren Tricks, zu denen Wasser nach Ansicht von Wissenschaftlern fähig ist.

Gemeinhin wird angenommen, dass Wasser bei 32 Grad Fahrenheit (0 Grad Celsius) gefriert. Überraschenderweise kann Wasser, wenn es in einer glatten, staubfreien Flasche liegt, bis zu minus 40 Grad Celsius flüssig bleiben, und zwar in der so genannten „unterkühlten“ Form. Der Staub und die rauen Oberflächen, mit denen Wasser in der Natur normalerweise in Berührung kommt, können als Kern dienen, um den herum sich Eiskristalle bilden.

Jetzt haben der Forscher Igor Lubomirsky vom Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel, und seine Kollegen eine weitere Möglichkeit entdeckt, den Gefrierpunkt von Wasser zu kontrollieren – über so genannte quasi-amorphe pyroelektrische dünne Schichten. Diese Oberflächen ändern ihre elektrische Ladung in Abhängigkeit von der Temperatur.

Wenn pyroelektrische Oberflächen positiv geladen sind, gefriert Wasser leichter, und wenn sie negativ geladen sind, gefriert es schwerer.

Die Forscher sahen, dass unterkühltes Wasser gefrieren kann, wenn es erwärmt wird, solange die Temperatur auch die Oberflächenladung ändert. Befindet sich beispielsweise unterkühltes Wasser auf einer negativ geladenen Lithiumtantalat-Oberfläche, friert es sofort fest, wenn die Oberfläche auf 17,6 Grad F (minus 8 Grad C) erwärmt wird und ihre Ladung auf positiv umschaltet.

Interessanterweise regen positiv geladene Oberflächen unterkühltes Wasser dazu an, von unten nach oben zu gefrieren, während negativ geladene Oberflächen es von oben nach unten gefrieren lassen. Das hat wahrscheinlich damit zu tun, wie sich Wassermoleküle orientieren – die negativ geladenen Sauerstoffatome in Wassermolekülen zeigen von Natur aus auf positiv geladene Oberflächen, während es bei Wasserstoffatomen umgekehrt ist.

„Der Unterschied zwischen der positiven und negativen Ladung war unerwartet“, so Lubomirsky.

Die Fähigkeit, die Gefriertemperatur von unterkühltem Wasser besser zu kontrollieren, könnte für eine Vielzahl von Anwendungen entscheidend sein, darunter das Überleben von kaltblütigen Tieren, die Kryokonservierung von Zellen und Geweben, der Schutz von Nutzpflanzen vor dem Einfrieren und die Fähigkeit, die Wolkenbildung zu verstehen und auszulösen.

Die Wissenschaftler beschreiben ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 5. Februar der Zeitschrift Science.

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