Das Rätselraten um das seltsamste Molekül im Universum geht in die nächste Runde. Gerade eben erst hatten Fachleute erstmals in Laborversuchen Hinweise darauf gefunden, dass Wasser bei tiefen Temperaturen aus zwei unterschiedlich dichten Flüssigkeiten besteht, da präsentieren zwei Forscher aus Triest eine ganz andere Sicht auf die Merkwürdigkeiten des Wassers und ihre Ursachen. Wie Florian Pabst und Ali Hassanali nun in einer noch nicht geprüften Vorabveröffentlichung auf der Plattform »Arxiv« berichten, verwandelt sich unterkühltes flüssiges Wasser nicht in eine andere Strukturvariante flüssigen Wassers, sondern in ein Glas.

Die mysteriösen physikalischen Eigenschaften des Wassers geben seit langer Zeit Rätsel auf. Am bekanntesten ist die Dichteanomalie, durch die Wasser bei etwa vier Grad Celsius die höchste Dichte aufweist und sich bei höheren und niedrigeren Temperaturen wieder ausdehnt. Dadurch schwimmt Eis auf Wasser, während die meisten Stoffe beim Gefrieren in der Schmelze nach unten sinken. Die Erklärung für diese und andere Seltsamkeiten vermuten Fachleute in einem schwer zugänglichen »Niemandsland«, in dem Wasser weit kälter als an seinem Gefrierpunkt, aber dennoch flüssig ist. In unterkühltem Wasser werden gleich mehrere Anomalien größer. Größen wie Wärmekapazität und Komprimierbarkeit verhalten sich immer ungewöhnlicher im Vergleich zu anderen Stoffen.

1992 schlug eine Arbeitsgruppe eine Lösung vor. Demnach sollte es in stark unterkühltem Wasser zwei unterscheidbare flüssige Phasen geben: eine Flüssigkeit hoher Dichte und eine mit geringerer Dichte, die oberhalb eines kritischen Punkts ununterscheidbar werden. Demnach wäre das uns bekannte flüssige Wasser bereits eine überkritische Flüssigkeit – und das könnte die kuriosen Eigenschaften erklären.

Doch ob das stimmt, ist keineswegs klar. Denn die Vorgänge im fraglichen Druck- und Temperaturbereich sind nur schwer zu beobachten. Theoretisch kann man Wasser immer weiter unterkühlen, bis es bei einer Temperatur von etwa minus 137 Grad Celsius zu amorphem, also nicht kristallin geordnetem Eis wird. Doch bereits unterhalb einer Temperatur von minus 45 Grad Celsius ist es instabil und kristallisiert binnen weniger Mikrosekunden zu ganz gewöhnlichem Eis.

Experimente im Niemandsland zwischen diesen beiden Temperaturen sind deswegen sehr kompliziert. Erst mithilfe von Infrarotlasern, die amorphes Eis nahe dem Phasenübergang sehr schnell schmelzen lassen, konnte ein Team um Anders Nilsson von der Universität Stockholm die entstehende Flüssigkeit in dieser kurzen Zeitspanne untersuchen. Dabei fand es tatsächlich bei einer Temperatur von rund minus 63 Grad Celsius und einem Druck von 1000 Bar Hinweise auf zwei unterschiedliche Phasen und einen kritischen Punkt – genau wie von der Zwei-Flüssigkeiten-Hypothese vorhergesagt.

Flüssigkeit oder Glas?

Pabst und Hassanali dagegen schlagen eine ganz andere Interpretation vor. Ihre Simulationen legen nahe, dass dort kein Phasenübergang stattfindet, sondern ein Glasübergang. In dem Fall bewegen sich die Moleküle beim Abkühlen immer langsamer und frieren quasi in ihrer Position ein. Die Flüssigkeit könnte hier in die energieärmere Struktur eines Kristalls übergehen, aber dazu reicht die Bewegungsenergie der Moleküle nicht mehr aus. Man bezeichnet diese Situation als kinetischen Stillstand. In ihren Simulationen fanden die beiden Forscher ebenso wie Nilssons Team zwei verschiedene Wasserstrukturen unterschiedlicher Dichte. Diese unterscheiden sich aber vor allem darin, wie beweglich die Moleküle sind: Die dichtere Phase ist demnach eine Flüssigkeit, die weniger dichte ein Glas.

Damit präsentieren die Wissenschaftler eine fundamental andere Sichtweise auf die Eigenschaften des Wassers bei tiefen Temperaturen. Entsprechend gibt es keine zwei flüssigen Phasen und keinen kritischen Punkt. Sie seien auch nicht zwingend erforderlich, um die Anomalien des Wassers zu erklären, sagt Florian Pabst. »In meinen Augen ist das Dichtemaximum bei vier Grad Celsius schwerlich mit kritischen Fluktuationen zu erklären, die von einem zweiten kritischen Punkt ausgehen.«

Stattdessen gehe die Ausdehnung bei tiefen Temperaturen eher auf Veränderungen der Wasserstruktur zurück – und die Dichteanomalie selbst reiche als Erklärung für die anderen Merkwürdigkeiten des Wassers aus. »Es wurde schon früh gezeigt, dass Anomalien von unterkühltem Wasser eine thermodynamische Notwendigkeit sind für eine Flüssigkeit, die sich mit sinkender Temperatur ausdehnt, und keines zweiten kritischen Punkts als Erklärung bedürfen.«

Das sieht Anders Nilsson, der mit experimentellen Methoden dem kritischen Punkt im unterkühlten Niemandsland auf der Spur ist, naturgemäß anders: »Die Veröffentlichung basiert auf Simulationen und nicht auf Experimenten, und wenn man Messdaten betrachtet, gibt es eine Reihe von Beobachtungen, die die Interpretation nicht stützen.« So zeigten tatsächliche Messungen der Molekülbewegungen, dass Wasser selbst bei weniger als minus 140 Grad Celsius noch ähnlich beweglich bleibe wie in einer Flüssigkeit. »Aus meiner Sicht stoßen Pabst und Hassanali damit eine sinnvolle Diskussion an, aber ihre Arbeit basiert eben nicht auf Experimenten.«