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Wärmetransfer an Eisoberflächen Eis widersteht extremer Hitze in den ersten Nanosekunden

Quelle: Pressemitteilung Max-Planck-Institut für Polymerforschung 2 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

Max-Planck-Institut für Polymerforschung
European XFEL GmbH
Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
LECO Instrumente GmbH

Was passiert, wenn ein Laserstrahl auf eine Eisoberfläche trifft? Die Antwort ist komplexer als gedacht. Statt direkt aufzuheizen, bleibt die Oberfläche im ersten Moment vor Erhitzung geschützt. Die Abläufe in den ersten Nanosekunden hat ein internationales Forscherteam analysiert.

Mittels Röntgenlaser untersuchten Forscher die Oberflächenerhitzung von Eis im Bereich weniger Nanosekunden.(Bild: MPIP Mainz / KI-generiert)
Mittels Röntgenlaser untersuchten Forscher die Oberflächenerhitzung von Eis im Bereich weniger Nanosekunden.
(Bild: MPIP Mainz / KI-generiert)

Gibt man einen Tropfen Wasser in eine sehr heiße Pfanne, kann er auf einem Dampfkissen über die Oberfläche gleiten. Dieses Phänomen ist als Leidenfrost-Effekt bekannt. Nun haben Wissenschaftler ein verwandtes Phänomen beobachtet, wobei Eis und eine extrem heiße Oberfläche aufeinandertreffen – auf einer Längenskala von Nanometern und innerhalb von Nanosekunden.

Ein internationales Forschungsteam hat den Effekt an der Experimentierstation FXE bei European XFEL entdeckt und untersucht. Er könnte beispielsweise Einfluss auf laserbasierte Fertigungsverfahren, Datenspeichertechnologien und katalytische Prozesse haben.

Selbstschutz für die ersten Nanosekunden

Im Experiment erhitzten die Forschenden eine Folie aus Platin unter einer ultradünnen Schicht aus amorphem Eis, einer nicht kristallinen glasartigen Form von Eis. Entgegen ihren Erwartungen stellten sie fest, dass sich das Eis auf Nanosekunden-Zeitskalen kaum erwärmte oder in seiner Struktur veränderte.

„Dieses Ergebnis ist ein gutes Beispiel dafür, wie wissenschaftliche Forschung völlig unerwartet in eine neue Richtung führen kann. Was als Experiment zur Untersuchung der Phasenübergänge von amorphem Eis begann, offenbarte einen anomalen Energietransport an der Grenzfläche, der sich dadurch erklären lässt, dass sich eine isolierende Dampfschicht bildet“, berichtet Tobias Eklund, Doktorand bei European XFEL und an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU).

Verständnis von Wasser und Eis erweitert

Röntgenmessungen in Verbindung mit Computersimulationen deuten darauf hin, dass durch die schnelle Erwärmung eine Dampfschicht mit einer Dicke von etwa sechs Nanometern zwischen dem Platin und dem Eis entsteht. Diese winzige Schicht wirkt als thermische Barriere und reduziert den Wärmefluss erheblich. Die Ergebnisse zeigen, dass sich bei extrem schnellem Aufheizen die Grenzfläche zwischen Metall und Eis neu ordnen kann. Statt direkt vom Metall ins Eis überzugehen, wird die Wärme durch die neu gebildete Dampfschicht blockiert – was herkömmliche Wärmeübertragungsmodelle nicht vorhersagen.

Die Platinfolie wurde auf 727 °C (1000 K) erhitzt, dann wurden im Abstand von 0,4 Nanosekunden Momentaufnahmen gemacht. Diese zeigen, dass sich innerhalb von weniger als einer Nanosekunde eine d = 6 Nanometer dicke Dampfschicht bildet. (Bild: Fig. 5: Molecular dynamics evidence [...] /DOI: 10.1038/s42004-026-02177-2 / CC BY 4.0)
Die Platinfolie wurde auf 727 °C (1000 K) erhitzt, dann wurden im Abstand von 0,4 Nanosekunden Momentaufnahmen gemacht. Diese zeigen, dass sich innerhalb von weniger als einer Nanosekunde eine d = 6 Nanometer dicke Dampfschicht bildet.
(Bild: Fig. 5: Molecular dynamics evidence [...] /DOI: 10.1038/s42004-026-02177-2 / CC BY 4.0)

„Es ist erstaunlich zu sehen, wie Wasser uns immer noch überraschen kann“, sagt Prof. Dr. Katrin Amann-Winkel, Koordinatorin der Studie vom Institut für Physik der JGU und Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz. „Die Ergebnisse sind wichtig für unser Verständnis von Wasser und Eis in der Atmosphäre, aber auch im Weltraum, wo sich amorphes Eis an winzige Staubkörner anlagert.“ Die Forschenden hoffen nun untersuchen zu können, ob sich ähnliche Isolationsschichten auch an anderen Materialgrenzflächen bilden können, die einer schnellen Erwärmung ausgesetzt sind.

Originalpublikation: Liu, Y., Eklund, T., Karina, A. et al.: Formation of nanoscale vapour films governing thermal resistance in amorphous ice, Commun Chem 9, 289 (2026); DOI: 10.1038/s42004-026-02177-2

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