Wasser gefriert zu Eis bei einer Temperatur von unter Null Grad. Ergo: Eis wird wieder zu Wasser, sobald das Thermometer über Null klettert. Nicht aber, wenn Physiker der Technischen Universität München das Sagen haben: Sie fanden heraus, wie Eis bis auf Zimmertemperatur erhitzt werden kann, ohne dass es sofort schmilzt.
Die Münchener Experimentalphysiker Marcus Schmeißer, Konstantin Simeonidis, Andy Thaller und Hristo Iglev untersuchten zunächst Eis-Mischungen aus leichten und schweren Wassermolekülen. Sie entwickelten ein neues spektroskopisches Messverfahren, um die Veränderung von Temperatur und Druck im Inneren des Eises auf der Zeitskala von Pikosekunden zu messen (1 Pikosekunde entspricht einem Millionstel einer Millionstel Sekunde).Dabei machten es sich die Forscher zunutze, dass sich die Temperatur- und Druckverhältnisse verändern, sobald das Eis infrarote Strahlung absorbiert.
Durch die Bestrahlung mit Laserblitzen von einer Pikosekunde gelang es den Wissenschaftlern, das Eis sprungartig bis weit über seinen Schmelzpunkt hinaus zu erhitzten. Dieser Zustand war sowohl bei leichten wie auch bei schweren Wassermolekülen für mindestens eine Nanosekunde (eine milliardstel Sekunde) lang stabil. Im molekularen Maßstab ist dies eine bemerkenswert lange Dauer. Über Einzelheiten des neuen Verfahrens und genaue Untersuchungsergebnisse berichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature.
Dieses Phänomen der Überhitzung ist zwar von anderen Materialien her bekannt, wurde aber bisher bei Eis für unmöglich gehalten. Die Eigenschaften von Eis und Wasser werden von den so genannten Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einzelnen Wassermolekülen bestimmt. Die Überhitzungsexperimente zeigten, dass der Zusammenhalt im Eis nahe dem Gefrierpunkt überraschend hoch zu sein scheint. Mit dem neuen experimentellen Verfahren wird untersucht, ob und inwiefern einzelne Verbindungen auf molekularen Zeitskalen auseinander brechen und schließlich zum Schmelzen führen.
Die Untersuchungsergebnisse der Physiker stoßen auch in den Biowissenschaften auf großes Interesse, da Wasserstoffbrücken in der Natur weit verbreitet sind und unter anderem auch die Stabilität von Proteinen und der Erbsubstanz bestimmen.
(idw – Technische Universität München, 13.01.2006 – DGO)
