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Die merkwürdigste aller Flüssigkeiten

Röntgenuntersuchung enthüllt zwei unterschiedliche Arten Wasser

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„So einfach Wasser erscheint, so merkwürdig verhält es sich“

Für den Alltag ändert die Entdeckung der beiden Varianten von flüssigem Wasser nichts. Für die Wissenschaft ist es jedoch ein wichtiger Schritt zum Verständnis dieser außergewöhnlichen Flüssigkeit. „So einfach Wasser erscheint, so merkwürdig verhält es sich im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten“, erläutert Lehmkühler aus der DESY-Forschungsgruppe kohärente Röntgenstreuung von Professor Gerhard Grübel, der ebenfalls Ko-Autor der Studie ist und als Leitender Wissenschaftler bei DESY arbeitet.

Forschungsleiter Prof. Anders Nilsson von der Universität Stockholm.
Forschungsleiter Prof. Anders Nilsson von der Universität Stockholm.
(Bild: Universität Stockholm)

„Wasser zeigt so viele Anomalien – Dichte, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit sind nur drei von mehreren Dutzend Eigenschaften, die bei Wasser anders sind als bei den meisten anderen Flüssigkeiten“, sagt Lehmkühler. „Viele dieser Eigenschaften sind Grundlage für die Existenz von Leben, denn ohne Wasser und seine besonderen Eigenschaften ist Leben, wie wir es kennen, nicht möglich.“ Die Erforschung von Wasser hat nicht nur daher große Bedeutung und ist ein Bereich, in dem sich auch DESY verstärkt engagiert. Neue Röntgenlichtquellen wie der gerade in Betrieb gehende europäische Röntgenlaser European XFEL, dessen Hauptgesellschafter DESY ist, oder der Ausbau von DESYs Synchrotronquelle PETRA III zur nächsten Generation, PETRA IV, werden Forschern dabei erlauben, noch weiter in unkartiertes Terrain des Wasser-Phasendiagramms vorzudringen.

Existieren die beiden Arten flüssiges Wasser auch bei Zimmertemperatur?

Mit künftigen Untersuchungen hoffen die Wissenschaftler unter anderem die Frage zu beantworten, ob die beiden Arten flüssiges Wasser auch bei Zimmertemperatur existieren. Dabei gibt es keinen prinzipiellen Grund dafür, dass es sie nur bei Tieftemperaturen geben sollte. „Die neuen Ergebnisse stützen stark das Bild, in dem sich Wasser bei Raumtemperatur nicht entscheiden kann, welche der beiden Formen es annehmen soll, hohe oder niedrigere Dichte, was zu lokalen Fluktuationen zwischen beiden führt“, betont Ko-Autor Lars Pettersson, Professor für Theoretische Chemische Physik an der Universität Stockholm. „Kurz und bündig heißt das: Wasser ist keine komplizierte Flüssigkeit, sondern zwei einfache Flüssigkeiten in einer komplizierten Beziehung.“

An der Arbeit waren auch die Universität Innsbruck, die Königlich-technische Hochschule (KTH) Stockholm sowie das US-Forschungszentrum SLAC beteiligt.

Originalpublikation: Fivos Perakis, Katrin Amann-Winkel, Felix Lehmkühler, Michael Sprung, Daniel Mariedahl, Jonas A. Sellberg, Harshad Pathak, Alexander Späh, Filippo Cavalca, Daniel Schlesinger, Alessandro Ricci, Avni Jain, Bernhard Massani, Flora Aubree, Chris J. Benmore, Thomas Loerting, Gerhard Grübel, Lars G. M. Pettersson and Anders Nilsson: Diffusive dynamics during the high-to-low density transition in amorphous ice; „Proceedings of the National Academy of Sciences“, 2017; DOI: 10.1073/pnas.1705303114

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