Wo Eiskristalle Quadrate statt Sechsecke bilden

4. April 2015, 21:18
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Nano-Eiskristalle waren bislang unbekannt, dürften aber buchstäblich allgegenwärtig sein

Ulm - Ein internationales Forscherteam hat eine bislang unbekannte Variante von Wasser entdeckt. Wie die Universität Ulm berichtet, kann Wasser quadratische Nano-Eiskristalle bilden. Diese konnten bei Raumtemperatur zwischen zwei Graphenschichten nachgewiesen werden, dürften aber auch in natürlicher Form überall vorkommen. Die Ergebnisse der Studie wurden in "Nature" veröffentlicht.

Unerwarteter Fund

Im Zuge des Projekts SALVE, in dem die Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskopie für strahlenempfindliche Materialien wie Graphen oder Biomoleküle weiterentwickelt werden soll, hatten die Ulmer Forscher Gerardo Algara-Siller und Ossi Lehtinen einen Wassertropfen zwischen zwei Graphenschichten gebracht. Mit dem Transmissionselektronenmikroskop wollten sie die Untersuchung eines biologischen Moleküls vorbereiten - doch dann offenbarte sich die Struktur des eingeschlossenen Wassers.

Zunächst wussten sie die unbekannte Struktur nicht richtig einzuordnen. "Erst eine Diskussion mit den Partnern von der Manchester University und eine detaillierte Struktur- und Elementanalyse brachte uns auf die richtige Spur: Wir sahen ganz offensichtlich winzige quadratische Eiskristalle, die sonst vor allem in sechseckiger Form vorkommen - zum Beispiel in Schneeflocken", sagt Ute Kaiser von der Uni Ulm.

Allgegenwärtig

Die gefundene viereckige Anordnung von Wassermolekülen in der dünnen Eisschicht ist absolut ungewöhnlich für Wasser. In allen bisher bekannten Formen von Eis ordnen sich die Moleküle pyramidenförmig an", sagt Kaiser. Daher gingen die Forscher der Frage nach, unter welchen Bedingungen solche viereckigen Eiskristalle in der freien Natur vorkommen können.

Computersimulationen, die an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt wurden, ergaben, dass sich die quadratischen Kristalle im "Graphen-Sandwich" offenbar immer nur dann bilden, wenn der Druck zwischen den Graphenschichten größer als ein Gigapascal und der Wasserfilm dünn genug ist - sie dürften also in allen Rissen und bei allen Materialien im Nanobereich vorkommen.

"Mikroskopische Risse, Poren oder winzige Kanäle sind überall - und das nicht nur auf unserem Planeten. Für die Materialkunde ist es besonders wichtig zu wissen, dass sich Wasser auf der Nanoskala völlig anders verhält", resümiert Irina Grigorieva von der Uni Manchester die Erkenntnisse aus der Studie. (red, derStandard.at, 4. 4. 2015)

  • Felder aus winzigen Quadraten: Diese Form kann Wassereis in der Nanowelt annehmen.

    Felder aus winzigen Quadraten: Diese Form kann Wassereis in der Nanowelt annehmen.

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