Was passiert, wenn Flüssigkeit gefriert

24. Februar 2011, 17:47
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Die Größe der Teilchenwolke entscheidet, ob ein Nukleationskeim wachsen oder schrumpfen wird

Wien - Was genau in einer Flüssigkeit abläuft, wenn sie gefriert, hat ein Team von Physikern der Universitäten Wien und Amsterdam nun anhand von Computersimulationen herausgefunden. Dabei kommt es nicht - wie bisher angenommen - auf die Größe des Kristallisationskerns an, sondern auch auf die Größe der Teilchenwolke, die diesen Keim umgibt. Die Arbeit der Wissenschafter wurde in der neuen Ausgabe der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" publiziert.

Legt man eine Plastikflasche mit destilliertem Wasser in den Tiefkühler, wird es bei null Grad Celsius nicht sofort zu Eis. Abhängig von der Reinheit des Wassers wird es flüssig bleiben und weiter abkühlen - man spricht von unterkühltem Zustand. Schnippt man in diesem Zustand gegen die Flasche, beginnen sich an dieser Stelle Wassermoleküle zu einem Keim zusammenzuschließen. Dieser Eiskristall wächst und lässt das gesamte Wasser blitzschnell zu Eis erstarren. Die Physiker nennen diesen Vorgang Nukleation.

Klassische Theorie

Bereits Anfang des vergangenen Jahrhunderts konnte mit der "klassischen Nukleationstheorie" dieses Phänomen mathematisch beschrieben werden. Laut dieser Theorie, in der der Nukleus vereinfacht als Kugel beschrieben wird, bilden sich ständig Keime. Diese können aber nur wachsen, wenn sie eine gewisse, kritische Größe erreichen. Die Kleinen werden immer wieder zerstört, und die Großen wachsen unaufhaltsam.

Computersimulationen haben in den vergangenen Jahren allerdings gezeigt, dass diese Theorie nicht immer stimmt. Es zeigte sich, dass auch kleine Keime wachsen und andere, die eigentlich groß genug wären, wieder verschwinden, betonte Forschungsautor Christoph Dellago, Dekan der Fakultät für Physik der Universität Wien und Mitglied des Spezialforschungsbereichs "Vienna Computational Materials Laboratory". Der Experte für Computational Physics hat mit seinem ehemaligen Dissertanten Wolfgang Lechner, der mittlerweile an der Uni Amsterdam beschäftigt ist, die Arbeit durchgeführt.

Neue Erkenntnisse

Anhand von Computersimulationen konnten die Wissenschafter in einer Modellflüssigkeit zeigen, dass Nukleationskeime keine einheitliche Struktur haben, sondern ähnlich wie eine Zwiebel aus mehreren Schichten aufgebaut sind. Nur der innerste Kern besteht bereits aus der gewünschten Kristallstruktur. Dieser Kern ist umgeben von einer Wolke aus Teilchen, die zwar schon eine gewisse Struktur aufweisen, jedoch keine Kristalle sind. Wird sowohl die Größe der Kerne als auch jene der Teilchenwolke in die Theorie aufgenommen, kann man sehr genau vorhersagen, ob ein Keim wachsen oder schrumpfen wird. "Wenn dieser Teilchenwolke-Puffer groß genug ist, können auch kleine Keime wachsen, die es von sich aus nicht schaffen würden", erläuterte Lechner. (APA/red)

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