Wasser zeigt bei Gefriertemperaturen ein doppeltes Verhalten, und nun haben internationale Forscher mithilfe fortschrittlicher neutronenbasierter Technologien und Teilchenbeschleuniger das verborgene Mechanismus der Umwandlung von flüssigem Wasser in festes Glas enthüllt.
Einzigartige Eigenschaften von Wasser
Wasser bedeckt fast 70 Prozent der Erdoberfläche und macht etwa 60 Prozent der Masse des menschlichen Körpers aus. Dennoch bleibt dieses Material aus der Sicht der physikalischen und chemischen Gesetze eines der geheimnisvollsten und ungewöhnlichsten Elemente des Universums. Wasser verhält sich wie eine duale Persönlichkeit; bei niedrigen Temperaturen verwandelt es sich in die vertraute Form von regelmäßigen Eiskristallen, kann jedoch unter bestimmten Bedingungen zu einem Phänomen werden, das als „glasartiges Wasser“ bekannt ist; eine feste Form mit einer völlig unregelmäßigen, amorphen molekularen Struktur und ohne kristallines Gitter.
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Fortgeschrittene Forschung und deren Ergebnisse
Dieser unübliche Zustand von Wasser ist in der Natur nicht selten; zum Beispiel wird er in den Schichten der Stratosphäre in den polar Regionen der Erde beobachtet. Darüber hinaus nutzen auch Kälteliebende Organismen dieses Phänomen, um bei extremen Temperaturen die Bildung scharfer Eiskristalle zu verhindern und somit das Platzen ihrer Zellmembranen zu vermeiden. Trotz der grundlegenden Bedeutung blieb der Übergang von Wasser von flüssig zu glasartig aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Kristallisation aus der Sicht der Beobachtungsinstrumente verborgen.
Normalerweise, wenn Wasser gefriert, bildet es harte und regelmäßige Kristalle. Dieser Prozess tritt bis zu einer Temperatur von etwa minus 45 Grad Celsius auf. Bei Temperaturen unterhalb dieser Grenze stoßen Wissenschaftler auf einen dunklen und unbekannten Bereich, der als „thermodynamisches Niemandsland“ bekannt ist, dessen experimentelle Untersuchung äußerst schwierig ist. Frühere Hypothesen deuteten darauf hin, dass der glasartige Übergang von massiven Wasser bei etwa minus 135 Grad Celsius stattfindet, aber die unvermeidliche Bildung von Eiskristallen verhinderte die direkte Beobachtung dieses Phänomens.
Laut einem kürzlich veröffentlichten Artikel hat eine internationale Gruppe von Forschern inspiriert von natürlichen Tricks diese alte Barriere durchbrochen. Physiker haben winzige Mengen Wasser mit einer Dicke von nur wenigen Molekülen (weniger als ein Milliardstel Meter) zwischen zwei Schichten von lipiden Molekülen, die als „Phytantriol“ bekannt sind, eingefangen. Diese Schichten bewahren in der Kälte ihre strukturelle Stabilität und flüssige Flexibilität und verhindern die Bildung eines kristallinen Eissystems.
Dieses bahnbrechende Forschungsprojekt wurde unter der Leitung von Rafael Metzenga vom renommierten ETH Zürich und in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Australian Nuclear Science and Technology Organisation durchgeführt. Das Forschungsteam kombinierte fortschrittliche Computersimulationen mit atomgenauen Teilchenstrahlen. In diesen Experimenten wurde die Röntgenstreuungsstrahllinie bei kleinen und großen Winkeln (SAXS/WAXS) des Synchrotron-Teilchenbeschleunigers ANSTO verwendet, um die geometrische Struktur der in der lipidmembran eingeschlossenen Moleküle zu kartieren.
Die gewonnenen Daten zeigten, dass der glasartige Übergang von Wasser in einem erstaunlichen Zeitrahmen von sechs Größenordnungen, von Mikrosekunden bis Pikosekunden, erfolgt. Der signifikante Rückgang der molekularen Beweglichkeit beginnt im Bereich von minus 21 bis minus 35 Grad Celsius, und Wasser neigt dazu, sich langsamer zu bewegen. Dann wird der statische Übergang der Struktur in einen vollständigen und unregelmäßigen glasartigen Zustand zwischen minus 64 und minus 74 Grad Celsius abgeschlossen. Schließlich, mit weiterem Temperaturabfall, beginnt diese glasartige Schicht, wie ein zerbrechliches Stück Bonbon zu reißen.
Dieser Erfolg geht über die Entwirrung eines der grundlegendsten Geheimnisse der Materiefysik hinaus und ebnet den Weg für große industrielle und biomedizinische Entwicklungen. Die Forscher betonen, dass diese Erkenntnisse direkte Anwendungen in Phänomenen im Zusammenhang mit Wasser im Nano- und Ultrakaltem Bereich haben; einschließlich der Verbesserung der Technologie zur Gefrierung von Geweben und transplantierten Organen ohne Zellschäden und der Verbesserung von Methoden zur Tiefkühlung von Lebensmitteln und Arzneimitteln. Jetzt bleibt abzuwarten, ob dieser wissenschaftliche Schritt die Lagerung biologischer Proben revolutionieren und eine neue Qualität für die Herstellung erstaunlicher Produkte schaffen kann.
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