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Carolin Hoffrogge
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Publikation

Schwingend zwischen fest und flüssig

Göttinger Messverfahren erlaubt genaue Bestimmung von kleinsten Eiskristallen

4. November 2019

Bei sinkenden Temperaturen gefriert Wasser zu Eis und umgekehrt schmilzt Eis zu Wasser bei steigenden Temperaturen. Dieser Vorgang, in der Wissenschaft als Phasenübergang bezeichnet, ist im Alltag gut bekannt und ist einer der wichtigsten Phasenübergänge auf unserer Erde. Er beeinflusst endscheidend unser Klima und ist auch an der Erhaltung des Lebens maßgeblich beteiligt. Auf der Erde tritt Eis im Wesentlichen in hoch geordneten hexagonalen Gittern auf. In unserer Atmosphäre gibt es aber auch kleine Wassertröpfchen, die als Cluster ebenfalls gefrieren und damit eine Rolle bei der Wolkenbildung spielen können. Um jedoch ein stabiles Gitter für Eiskristalle zu erreichen, ist eine Mindestanzahl an Molekülen nötig, ansonsten ist das Konstrukt instabil.
Am Ursprung des perfekten Kristalls: Wasser kristallisiert in einer sechszähligen Symmetrie, die an jeder Schneeflocke zu erkennen ist. Diese Ordnung bildet sich bereits in Wasserclustern mit 90 Molekülen aus, die mit einer Schneeflocke noch keine Ähnlichkeit haben. Bild vergrößern
Am Ursprung des perfekten Kristalls: Wasser kristallisiert in einer sechszähligen Symmetrie, die an jeder Schneeflocke zu erkennen ist. Diese Ordnung bildet sich bereits in Wasserclustern mit 90 Molekülen aus, die mit einer Schneeflocke noch keine Ähnlichkeit haben. [weniger]

Bisher konnte diese Anzahl nur grob geschätzt werden. Vor einigen Jahren entwickelte die Gruppe von Udo Buck am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) in Göttingen erstmalig ein Verfahren, das es erlaubt, mit größenselektierten Clustern und Infrarot-Spektroskopie die Clustergröße der erstmalig auftretenden kristallinen Cluster zu messen. Im Experiment konnten die Wassertröpfchen genau in dem Temperatur- und Größenbereich präpariert werden, in dem sie anfangen, Kristallstrukturen zu bilden. Nun wurden mit dieser Anordnung neuere Messungen in der Gruppe von Thomas Zeuch, Professor am Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen, durchgeführt. Die Ergebnisse sind vielversprechend und gerade im Journal Proceedings der National Academy of Science der USA (PNAS) veröffentlicht worden. Dabei arbeiteten die Göttinger mit zwei amerikanischen Gruppen zusammen, um die Messdaten zu bestätigen. Das deutsch-amerikanische Team hat für die aktuelle Studie Kristalle isoliert in einem Molekularstrahl untersucht.  Durch die Kombination von Experimenten auf dem neusten Stand der Technik und hochauflösenden Simulationen von Vielteilchensystemen für deren Wechselwirkung und für die Berechnung der Spektren gelingt es, die Größe kleinstmöglicher Eiskristalle genau zu bestimmen.

Teilchen sind mal kristallin, mal flüssig amorph

"Knapp 100 Wassermoleküle sind nötig, um einen Eiskristall in seiner kleinstmöglichen Ausprägung zu formen", sagt der Co-Autor der Studie Udo Buck vom MPIDS. Nachweisen konnten die Wissenschaftler zudem, dass sich in diesen Größenordnungen typischerweise Mischungen aus flüssig-amorphen und kristallinen Clustern bilden. Sie oszillieren in den durchgeführten Simulationsrechnungen jeder für sich zwischen den beiden Zuständen hin und her – schwingen also quasi zwischen fest und flüssig. „Die Koexistenz der Aggregatszustände flüssig und fest durch Oszillationen einzelner Partikel ist ein seit den 1980er Jahren theoretisch vorhergesagtes Phänomen der Nanowelt, das aber sehr schwer experimentell nachgewiesen werden konnte“, erläutert Thomas Zeuch. „Und es widerspricht der Alltagserfahrung, wonach ein Eiswürfel im Whiskyglas schwimmt und schmilzt.“

Kleinste Wasserkristalle sogar in Hohlräumen von Proteinen denkbar

Die aktuelle Studie legt nahe, dass solche Oszillationen kleinster Wasserkristalle sogar in Hohlräumen von Proteinen auftreten können. Dies wiederum ist relevant für biologische Prozesse. Denkbar wären beispielsweise kleinste Schleusen in Proteinen, die sich gezielt durch kleine Veränderungen der chemischen Umgebung öffnen und schließen. Solche molekularen Zustandsänderungen im Größenbereich weniger Nanometer sind z.B. in Zellen experimentell derzeit noch sehr schwer nachzuweisen.

 
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