Alltagsmagazin.de

News und Tipps aus allen Lebensbereichen

Weitere Thermo-Anomalie von Wasser identifiziert

Drinking water and natural water in the hands.

Forschende melden eine weitere thermodynamische Anomalie von Wasser. Die Beobachtung stützt das Bild vom flüssig-flüssigen Phasenübergang im unterkühlten Bereich.

Ein internationales Team hat in unterkühltem, moderat komprimiertem Wasser ein neues Extrem im Verlauf einer thermodynamischen Antwortfunktion nachgewiesen. Die Messdaten und Simulationen ergänzen den Katalog bekannter Abweichungen und ordnen sich schlüssig in moderne Zwei-Zustände-Modelle ein.

Welche Anomalie von Wasser wurde beobachtet?

Die Forschenden kartierten die Temperatur- und Druckabhängigkeit zentraler Größen wie Dichtefluktuationen, Kompressibilität und Wärmekapazität. Dabei zeigte sich ein bislang nicht erfasstes Extremum in einer dieser Antwortfunktionen, das in der Nähe der sogenannten Widom-Linie liegt – jener Linie maximaler Fluktuationen, die sich aus dem vermuteten hypothetischer flüssig-flüssiger Übergang ableitet. Solche Extreme markieren Zustandsbereiche, in denen kleine Änderungen von Temperatur oder Druck besonders starke strukturelle Reorganisationen des Flüssigkeitsnetzwerks auslösen.

Warum ist das wichtig?

Wasser gilt als Ausnahmeflüssigkeit: Es hat ein Dichtemaximum bei 4 °C, wird beim Abkühlen nahe dem Gefrierpunkt zunächst weniger dicht, und seine Kompressibilität und Wärmekapazität nehmen in unterkühlten Bereichen ungewöhnlich zu. Die neu gefundene thermodynamische Anomalie von WasserKonsequenzen für Wissenschaft und Technik
Präzisere Kurven für Kompressibilität, Wärmekapazität oder Ausdehnungskoeffizient verbessern Vorhersagen in Klimamodellen (Eisbildung, Ozeanschichtung), in der Kryobiologie (Schonung von Zellen beim Gefrieren) und in der Geophysik (Wassereigenschaften in Gesteinsporen unter Druck). Die neuen Daten liefern zudem strenge Tests für ab initio- und Machine-Learning-Potentiale, die die mikroskopische Struktur und Dynamik von Wasser beschreiben. Langfristig könnte das helfen, die umstrittene Frage nach der Existenz eines zweiten kritischen Punktes experimentell enger einzugrenzen.

Einordnung

Schon seit den 1990er-Jahren deuten Theorie und Simulationen auf einen flüssig-flüssigen Übergang im metastabilen Bereich hin. In den vergangenen Jahren haben präzisere Streuexperimente, ultrakurze Röntgenmessungen und neuartige Konfinierungs-Methoden die Zahl verlässlicher Daten stark erhöht. Die jetzt berichtete Anomalie fügt sich in dieses Bild: Sie ist nicht isoliert, sondern Teil eines kohärenten thermodynamischen Musters, das Wasser weiterhin zum Prüfstein für unsere Vorstellungen von Flüssigkeiten macht.

Quellen: Reports on Progress in Physics: Water: a tale of two liquids; Nature: Phase behaviour of metastable water; PNAS: Metastable liquid–liquid transition in a molecular model of water

About Author