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475 Wassermoleküle braucht kleinstes Eiskristall

475 Wassermoleküle braucht kleinstes Eiskristall

Auch Eiskristalle fangen mal klein an, und sogar kleiner als bisher gedacht. Schon 475 Wassermoleküle bilden eine echte kristalline Ordnung, erste Ansätze davon sind bereits ab 275 Molekülen zu erkennen, wie eine Kooperation aus Göttinger und Prager Wissenschaftlern herausgefunden hat.

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Beginn des Kristalls: Wasser kristallisiert in einer sechszähligen Symmetrie.

Quelle: Science Photo Library

Göttingen/Prag. Zuvor galten etwa 1000 Moleküle als Minimum für einen vollständigen Kristall. Um die neue Untergrenze für Eisklümpchen zu bestimmen, haben die Forscher um Dr. Thomas Zeuch, Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen, ein Experiment verfeinert, das Prof. Udo Buck vom Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) entwickelt hat. Ihr Ergebnis könnte in der Klimaforschung helfen, die Modelle der Atmosphäre zu verbessern.

Das Team hat ein bislang ungelöstes Rätsel geknackt, nämlich die Frage, wie viele Wassermoleküle mindestens zusammenkommen müssen, damit sie einen Eiskristall formen können. „Bei 275 Wassermolekülen geht es los“, lautet die verblüffend präzise Antwort von Buck, „und bei 475 Molekülen ist der Kristall vollständig fertig.“ Bislang habe die Wissenschaft eine minimale Clustergröße von etwa 1000 Molekülen vorausgesetzt. Unter Clustern verstehen Physiker und Physikochemiker Konglomerate aus wenigen, noch abzählbaren Molekülen. Die Eigenschaften dieser Nanogebilde liegen zwischen denjenigen einzelner Moleküle und der Welt großer Festkörper zum Anfassen, die aus vielen Milliarden Molekülen bestehen.

Die Entdeckung der Göttinger Forscher gibt Einblicke in die Vorgänge, bei denen Wasserdampf bei tiefen Temperaturen direkt zu winzigen Eiskristallen kondensiert. „Solche Prozesse spielen in den oberen Atmosphärenschichten eine wichtige Rolle“, betont Buck: „aber auch in unserem Planetensystem.“

Kristallgitter von Wassereis benötigt mehr Raum als das flüssige Wasser

In Eiskristallen sortieren sich die Wassermoleküle zu einem sechseckigen Raumgitter. Dabei baut jedes Wassermolekül chemische Bindungen, sogenannte Wasserstoffbrücken, zu jeweils vier Nachbarmolekülen auf. Dieses wabenförmige Kristallgitter von Wassereis benötigt mehr Raum als das flüssige Wasser, was außergewöhnlich ist. Solange die Wassercluster noch nicht die Mindestgröße für einen Kristall erreicht haben, bilden sie bei minus 180 bis minus 150 Grad Celsius eine Art in der Kälte gestockte Flüssigkeit, ein eher unordentliches, „amorphes“ Raumgitter.

Wächst der Cluster nun, können die Wassermoleküle in seinem Kern irgendwann vom ungeordneten chemischen Spiel in die kristalline Ordnung wechseln, in der sie alle jeweils vier Nachbarn an die Hand nehmen. So entstehen bei 275 Wassermolekülen im Inneren des Clusters erste Ansätze eines Eiskristalls mit sechseckiger Struktur. Anfangs ist diese noch etwas deformiert. Doch mit wachsender Clustergröße wächst das Innenleben zu einem geordneten Eiskristall, während die Außenschichten noch amorph bleiben.

Dieser Einblick in das Entstehen von Eiskristallen war nur mit einem ausgefeilten Experiment möglich. Normalerweise durchleuchten Wissenschaftler Kristalle mit Röntgenstrahlen. Doch diese Signale seien zu schwach für die genaue Untersuchung der kleinen Wassercluster, erklärt Zeuch. Dagegen liefere die Schwingung zwischen dem Sauerstoffatom und dem Wasserstoffatom eines Moleküls ein viel kräftigeres Signal. Die Frequenz dieser Schwingung liegt im Infraroten, also bei langwelligem Licht, und die Wirkung dieser Strahlung misst die Apparatur. Entscheidend ist dabei, dass sich das Infrarotsignal durch die Wasserstoffbrückenbindung zwischen dem Wasserstoffatom des einen und dem Sauerstoffatom eines anderen Moleküls deutlich verschiebt, sobald sich das sechseckige Kristallgitter bildet. Das ist der Fingerabdruck des Wassereises, den die Forscher nun erstmals an Clustern aus einigen hundert Wassermolekülen nachweisen konnten.

Infrarotspektroskopie funktioniert allerdings nur mit Tricks

Diese sogenannte Infrarotspektroskopie solcher kleiner Cluster funktioniert allerdings nur mit einigen Tricks. Zuerst erzeugt das Experiment einzelne, kalte Cluster. Diese Cluster fliegen dann mit mehr als Schallgeschwindigkeit durch eine Kammer, in der sie jeweils ein einzelnes Natriumatom aufsammeln. Anschließend fliegen sie etwa 240 Mikrosekunden lang weiter bis zur eigentlichen Messung. Das angedockte Natriumatom sei dabei entscheidend, so  Zeuch. Es erlaubt, die Cluster in der gewünschten Größe, zum Beispiel eben aus 275 Wassermolekülen, sanft zu ionisieren, mit einem elektrischen Feld zu sortieren und gezielt zu messen.

Das Natriumatom am Wassercluster hat zudem eine zweite, komplexe Funktion. „Es ist eine Art Fotopapier“, sagt Zeuch. „Wir bestrahlen die Cluster mit dem Natriumatom zuerst mit dem Infrarotlicht. Dann ,entwickeln‘ wir es mit einem Laserpuls aus ultraviolettem Licht.“ Allerdings gäbe das Natriumatom bei dieser Kombination von Laserlicht verschiedener Frequenz natürlich kein räumliches Foto: Stattdessen liefert es ein Infrarotspektrum des winzigen Wasserclusters. Dieser Trick war der Durchbruch.
Die Forscher wollen mit Experimenten nun auch die Kristallisation anderer Stoffe und deren Oberflächeneigenschaften aufs Molekül genau untersuchen.

chb/pug

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