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Der kleinste Eiswürfel der Welt

Gefrierendes Wasser bildet fünf verschiedene Würfelgebilde aus je acht H2O-Molekülen

Wasserwürfel
Die kleinste energetisch stabile Anordnung von H2O-Molekülen in gefrierendem Wasser ist ein Würfel aus acht Wassermolekülen. Von diesen Oktameren gibt es fünf Varianten, wie sich nun zeigt. © Gang Li, Qinming Li

Würfeliges Wasser: Forscher haben neue Molekül-Konfigurationen bei gefrierendem Wasser entdeckt. Dabei lagern sich acht H2O-Moleküle zu einem würfelförmigen Gebilde zusammen – quasi dem kleinsten Eiswürfel der Welt. Wie nun Messungen ergeben haben, gibt es von diesen Oktameren nicht nur zwei, sondern fünf verschiedene energetisch stabile Varianten. Zwei davon besitzen zudem eine Chiralität – sie sind händisch.

So alltäglich uns Wasser erscheint – chemisch-physikalisch gesehen ist es ein ganz besonderer Stoff. Dafür sorgen seine Dichteanomalie, seine Fähigkeit zur Eigendissoziation und auch die verschiedenen, von Wasserstoffbrücken gebildeten „Klumpenstrukturen“ im flüssigen Wasser. Aber auch das Wassereis hat Besonderheiten. So bildet es je nach Druck und Temperatur mindestens 17 verschiedene Kristallstrukturen, behält aber immer eine quasiflüssige Grenzschicht.

Acht H2O-Moleküle bilden einen Würfel

Wie die kleinstmögliche Einheit des gefrierenden Wassers aussieht, haben nun Forscher um Gang Li von der chinesischen Akademie der Wissenschaften näher untersucht. Schon vorher war bekannt, dass sich Wassermoleküle im gefrierenden Wasser zu Oktameren zusammenlagern – würfelförmigen Gebilden aus acht über Wasserstoffbrückenbindungen verknüpften H2O-Molekülen. Diese Miniaturwürfel entstehen beim Gefrieren des Wassers und sind damit sozusagen die kleinsten Eiswürfel der Welt.

„Das Wasser-Oktamer gilt als Übergangsform zu den kubischen Strukturen, die in größeren Systemen dominieren“, erklären die Forscher. „Es zeigt ein für den Übergang von flüssiger zu fester Phase charakteristisches Verhalten.“ Wie genau die Wassermoleküle in diesem Mini-Würfel ausgerichtet sind, ist allerdings schwer zu ermitteln. Wissenschaftlern gelang es deshalb nur, zwei Formvarianten – sogenannte Isomere – zu identifizieren.

Fünf energetisch stabile Varianten

Ob es möglicherweise noch mehr Varianten dieser Miniatur-Wasserwürfel gibt, haben nun Li und sein Team mithilfe der Infrarot-Spektroskopie ermittelt. Dafür bliesen sie Wasserdampf in Heliumgas und ließen das Wasser dann abrupt ausfrieren. Dadurch bildeten sich in der Schwebe die Molekül-Oktamere. Deren Wasserstoffbrückenbindungen wurden mithilfe der Infrarotlaser zum Schwingen angeregt, woraus sich die Länge und Position dieser Bindungen und damit auch die Struktur der Oktamere ermitteln ließ.

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Es zeigte sich: Gefrierendes Wasser bildet gleich fünf koexistierende Varianten der energetisch stabilen Oktamere. Je nach Isomer sind dabei die an den Ecken liegenden H2O-Moleküle jeweils unterschiedlich ausgerichtet. Stabilisiert werden diese Mini-Wasserwürfel durch sogenannte delokalisierte Wasserstoffbrückenbindungen, die jeweils die Sauerstoffatome mit den Wasserstoffatomen der anderen Moleküle verknüpfen.

Wichtig auch für Wolken und Aerosole

Interessant auch: Zwei dieser Oktamer-Isomere sind chiral. Das bedeutet, dass sich ihre Strukturvarianten, die sogenannten Enantiomere, wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten – oder wie unsere beiden Hände. In sich sind diese chiralen Formen zwar gleich, sie lassen sich aber nicht durch bloßes Drehen und Kippen in die jeweils andere Form überführen. Solche chiralen Moleküle sind deshalb interessant, weil ihre Enantiomere chemisch verschieden reagieren können. Ob das auch bei den Wasser-Oktameren der Fall ist, bleibt vorerst jedoch offen.

Doch der Nachweis dieser fünf Oktamere in gefrierendem Wasser ist nicht nur wichtig, um das in vieler Hinsicht ungewöhnliche Verhalten des Wassers besser zu verstehen. Sie könnten auch für viele natürliche Phänomene eine Rolle spielen: „Unsere Ergebnisse tragen entscheidend zum fundamentalen Verständnis der Prozesse bei der Wolken-, Aerosol- und Eisbildung bei – vor allem bei schneller Abkühlung“, konstatieren Li und seine Kollegen. (Nature Communications 2020; doi: 10.1038/s41467-020-19226-6)

Quelle: Chinese Academy of Sciences Headquarters

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