Wasser besteht aus zwei Flüssigkeiten

Verborgenes Doppelleben: Physiker haben entdeckt, dass flüssiges Wasser in zwei unterschiedlichen Varianten existiert. Die vermeintliche einheitliche Flüssigkeit besteht in Wirklichkeit aus zwei verschiedenen, miteinander interagierenden Flüssigkeiten. Bisher wurden diese beiden Wasservarianten zwar nur bei sehr tiefen Minustemperaturen nachgewiesen, die Forscher halten es aber für wahrscheinlich, dass sie auch bei Raumtemperatur existieren.

Wasser ist nicht nur eine Voraussetzung für das Leben, es ist auch ein extrem exotischer Stoff: Es weicht in mindestens 70 Eigenschaften von den meisten anderen Flüssigkeiten ab. Die vielleicht bekanntesten sind die Wärmekapazität und die Dichteanomalie – die Tatsache, dass Wasser sich beim Gefrieren ausdehnt. Im flüssigen Zustand bildet Wasser zudem ein hochkomplexes Gemenge von „Molekülklumpen„, die blitzschnell ihre Struktur und Anordnung ändern.

Dichteunterschiede in amorphem Eis

Doch es wird noch seltsamer: Bereits vor einiger Zeit haben Forscher entdeckt, dass das sogenannte amorphe Wassereis in zwei Varianten vorkommt. Dieses nichtkristalline, glasähnliche Eis ist auf der Erde selten, kommt aber im Sonnensystem häufig vor. Es entsteht unter anderem, wenn flüssiges Wasser so schnell abgekühlt wird, dass die Moleküle keine Zeit haben, eine geordnete Kristallstruktur auszubilden. Analysen enthüllen, dass dieses Wassereis in einer dichteren und einer 25 Prozent weniger dichten Form existiert.

„Schon länger fragen sich Wissenschaftler, ob diese beiden Eis-Sorten nicht entsprechende Varianten in flüssigem Wasser haben“, erklärt Koautor Felix Lehmkühler vom Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg. „Das ist jedoch sehr schwer zu messen. Selbst wenn es in flüssigem Wasser beide Varianten geben sollte, durchmischen sie sich ständig, wandeln sich ineinander um, und es existiert keine Möglichkeit, die beiden zu trennen.“

Bisher wurden die beiden Varianten des Wassers nur bei tiefen Temperaturen nachgewiesen, sie könnten aber auch bei Raumtemoeratur existieren. © Gesine Born/ DESY

Diskrepanz auch im flüssigen Zustand

Diese Hürde haben die Physiker nun jedoch überwunden. Ihr Trick: Sie kühlten zunächst hochreines Wasser soweit herunter, dass es zu amorphem Wassereis wurde. Bei minus 150 Grad lag es dabei als dichtes HDA-Eis vor. Dann erwärmten sie die Probe langsam auf minus 140 Grad und beobachteten die Struktur des Wassers dabei mithilfe von energiereichem Röntgenlicht.

Dabei zeigte sich: Bei diesen Temperaturen wird das amorphe HDA-Eis nicht nur flüssig, es bilden sich auch zwei verschiedene Strukturen flüssigen Wassers – analog zu den beiden Eisvarianten. Zunächst geht das HDA-Eis dabei in eine flüssige Form hoher Dichte über (HDL), dann wandelt sich dieses in eine Form niedrigerer Dichte (LDL) um, wie die Forscher berichten.

Doppelexistenz auch bei Raumtemperatur?

„Damit haben wir eine neue bemerkenswerte Eigenschaft des Wassers entdeckt: Wir stellen fest, dass Wasser bei niedrigen Temperaturen als zwei verschiedene Flüssigkeiten vorliegt“, sagt Studienleiter Anders Nilsson von der Universität Stockholm. Sein Kollege Lars Pettersson ergänzt: „Kurz gesagt: Wasser ist keine komplizierte Flüssigkeit, sondern zwei einfache Flüssigkeiten in einer komplizierten Beziehung.“

Aber was bedeutet das für das Wasser in unserem Alltag? Noch ist zwar nicht bewiesen, dass das Wasser auch bei Raumtemperatur aus diesen beiden Varianten besteht, die Forscher halten es aber für sehr wahrscheinlich. „Die neuen Ergebnisse sprechen dafür, dass sich Wasser bei Raumtemperatur nicht entscheiden kann, welche der beiden Formen es annehmen soll – eine hohe oder niedrigere Dichte“, erklärt Pettersson. „Das führt zu lokalen Fluktuationen zwischen beiden Formen.“

Mit künftigen Untersuchungen hoffen die Wissenschaftler, das „Doppelleben“ des Wassers auch bei Raumtemperatur nachweisen zu können. In jedem Fall liefern die Ergebnisse neue Einblicke in die sonderbare Welt des Lebensmoleküls H2O und seiner merkwürdigen Eigenschaften. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017; doi: 10.1073/pnas.1705303114)

(Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY / Stockholm University, 27.06.2017 – NPO)