Unterkühlte Wassertropfen verdampfen zum Teil, wenn sie gefrieren. Der Dampf schlägt sich als Halo aus winzigen Tröpfchen auf der Oberfläche rund um den Muttertropfen nieder, stellten Wissenschaftler von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich in ihren Experimenten fest. Dieser Halo gefriert ebenfalls binnen Sekunden und bringt weitere benachbarte Tropfen dazu zu kristallisieren. Wie das Team um den Physiker Stefan Jung entdeckte, hängt dieser Mechanismus der "Ansteckung" stark von der Wärmeleitfähigkeit der Unterlage ab, so dass sich auf diese Weise die Frostbildung auf einem Material beeinflussen lässt.

Spontanes Gefrieren flüssigen Wassers auf kalten Oberflächen ist ein bedeutendes Problem, zum Beispiel auf den Tragflächen von Flugzeugen oder in technischen Anlagen. Wissenschaftler arbeiten an Oberflächen, die diese Eisbildung verhindern sollen, aber die Details des Gefrierprozesses sind bisher nur unvollständig bekannt. Die Schweizer Forscher untersuchten daher das Gefrieren etwa zwei Millimeter großer Tropfen aus unterkühltem destilliertem Wasser auf verschiedenen Unterlagen.

Unterkühltes Wasser gefriert in zwei Phasen. Zuerst bildet sich binnen Sekundenbruchteilen ein offenes Netzwerk aus Eiskristallen im Tropfen. Anschließend gefriert das Wasser in den Zwischenräumen. Die Forscher konnten zeigen, dass die Temperatur im Tropfen dank der frei gewordenen Wärme auf null Grad ansteigt und sogar eine geringe Menge Wasser verdampft, die sich in der Umgebung des Tropfens niederschlägt und einen ringförmigen Halo aus unterkühlten Tröpfchen bildet. Auch dieser gefriert dann vom Muttertropfen her. Trifft der Halo einen benachbarten, noch flüssigen Tropfen, leitet er dort ebenfalls das Gefrieren ein, sobald ein wachsender Eiskristall dessen Oberfläche berührt. Auf diese Weise kann ein einzelner Tropfen eine Gefrierkaskade über große Oberflächenbereiche auslösen.

Jedoch hängt das Verhalten des Halos sehr stark von der Wärmeleitfähigkeit der Unterlage ab. Die Forscher experimentierten mit Kupfer, Titan und dem Kunststoff PMMA, die sehr ähnlich von Wasser benetzt werden, aber Wärme unterschiedlich leiten. Dabei stellten Jung und sein Team fest, dass der Halo nur auf schlecht leitenden Oberflächen zu Eis wird und benachbarte Tropfen ansteckt. Gut leitendes Metall dagegen lässt den Muttertropfen schneller gefrieren, so dass weniger Wasserdampf für den Halo zur Verfügung steht. Außerdem transportiert es die latente Wärme besser zu den winzigen Tropfen des Halos. Beides führt dazu, dass der Halo auf einer gut leitenden Unterlage verdunstet, bevor er gefrieren und benachbarte Tropfen zur Kristallisation animieren kann.