Entstehung von Eis Heiß auf Eis – Wasser braucht Extra-Energie zum Gefrieren

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Es klingt widersprüchlich: Vor dem Einfrieren braucht Wasser ein wenig zusätzliche Energie – muss also sozusagen erst „heiß“ gemacht werden. Dieses Detail haben Forscher der TU Graz bei Experimenten auf Graphen-Oberflächen entdeckt.

Graz/Österreich – Wasser gefriert bei Temperaturen unter 0 °C zu Eis. Doch der exakte Vorgang der Eisentstehung auf mikroskopischer Ebene ist ein komplizierter Prozess, der immer neue Entdeckungen bereithält. Denn herkömmliche Mikroskope sind schlichtweg zu langsam, um das Gefrieren direkt beobachten zu können. „Der erste Schritt bei der Eisbildung, die so genannte Nukleation, geschieht in unglaublich kurzer Zeit. Im Bruchteil einer Milliardstel Sekunde finden einzelne, schnelle und bewegliche Wassermoleküle zueinander und verschmelzen“, erklärt Anton Tamtögl vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz.

Mithilfe einer neuen experimentellen Technik und mit computergestützten Simulationsrechnungen ist es Tamtögl gemeinsam mit einer Forschergruppe der Universitäten Cambridge und Surrey nun erstmals gelungen, die Entstehung von Eis auf molekularer Ebene zu verfolgen.

Unerwartete Erkenntnis zur Eisbildung

Die Beobachtungen der internationalen Forschergruppe haben gezeigt, dass sich die Wassermoleküle zunächst gegenseitig abstoßen. Demnach müssen sie erst genügend Energie gewinnen, um diese Abstoßung zu überwinden, bevor sich Eis bilden kann. Es muss sozusagen erst heiß werden, bevor Eis entstehen kann. Die bisherige Annahme war, dass die Eisbildung ungehindert geschieht. „Unsere Ergebnisse führen zu einem völlig neuen Verständnis über die Eisbildung“, sagt Studienerstautor Tamtögl.

Helium-Beschuss deckt abstoßende Kräfte auf

Den Abstoßungs-Effekt der Wassermoleküle entdeckten die Forscher mithilfe des so genannten Helium Spin-Echo (HeSE). Dabei handelt es sich um eine neue Methode des Cavendish Laboratory in Cambridge, bei der ein Gerät Helium von sich bewegenden Molekülen streut – ähnlich wie Radiowellen von Fahrzeugen bei einer Radarkontrolle gestreut werden. Damit lassen sich Bewegungen von Atomen und Molekülen verfolgen. Die Heliumatome streuen von der Oberfläche, also den sich dort bewegenden Molekülen, danach wird registriert, wie viele der He-Atome mit welcher Energie (Geschwindigkeit) im Detektor ankommen.

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In den HeSE-Experimenten untersuchten die Wissenschaftler Wassermoleküle auf einer Graphen-Oberfläche, also einer einzelnen atomaren Lage von Kohlenstoff. Dabei entdeckten sie, dass sich die Wassermoleküle bei gleicher Ausrichtung – nämlich senkrecht zur Oberfläche – abstoßen; analog zu zwei Magneten, die sich mit gleichnamigen Polen annähern. Graphen wurde als „Schauplatz“ für die Experimente gewählt, weil es wenig reaktionsfreudig ist und damit das Ergebnis nicht beeinflusst.

Computergestützte Simulationen, mit denen die genaue Energie der Wassermoleküle in verschiedenen Konfigurationen abgebildet und die Wechselwirkung zwischen sich annähernden Molekülen bestimmt wurden, untermauern die experimentellen Ergebnisse. In den Simulationen kann zudem die Abstoßung „ein- und ausgeschaltet“ werden, was den Effekt ebenfalls bestätigt.

Potenzial für eisfreie Oberflächen

Die Gruppe um Tamtögl geht davon aus, dass der Abstoßungseffekt nicht nur auf der untersuchten Graphen-Oberfläche, sondern ebenso auf anderen Oberflächen auftritt. „Unsere Erkenntnisse ebnen den Weg für neue Strategien, mit denen die Eisbildung kontrolliert oder die Vereisung verhindert werden kann“, sagt Tamtögl. Dazu gehören Oberflächenbehandlungen speziell für die Windkraft, die Luftfahrt oder die Telekommunikation.

Originalpublikation: Anton Tamtögl, Emanuel Bahn, Marco Sacchi, Jianding Zhu, David J. Ward, Andrew P. Jardine, Stephen J. Jenkins, Peter Fouquet, John Ellis & William Allison: Motion of water monomers reveals a kinetic barrier to ice nucleation on graphene, Nature Communications volume 12, Article number: 3120, May 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-23226-5.

* S. Eigner, Technische Universität Graz, 8010 Graz/Österreich

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