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Unterkühlung: Pyroelektrische Oberflächen beeinflussen Gefrierpunkt des Wassers

Wasser bleibt selbst bei Temperaturen von bis zu minus 40 Grad Celsius flüssig, wenn kein geeigneter Eiskeim vorhanden ist. Wann ein "unterkühlter" Tropfen letztlich gefriert, hängt aber auch davon ab, ob er auf einer elektrisch positiv oder negativ geladenen Oberfläche ruht. Unter solchen Bedingungen kann H2O sogar gefrieren, während es gerade erwärmt wird.

Igor Lubomirsky vom Weizmann-Institut für Wissenschaften in Rechovot, Israel, und seine Kollegen platzierten Wassertropfen auf eine 0,5 Millimeter dicke Schicht Lithiumtantalat (LiTaO3) sowie auf dünne Filme aus Strontiumtitanat (SrTiO3). Beide Kristalle weisen pyroelektrische Eigenschaften auf: Ändert sich ihre Temperatur, laden sich ihre gegenüberliegenden Oberflächen entgegengesetzt elektrisch auf.

Mit einer Kombination aus leistungsstarken Mikroskopen und Röntgenbeugung fanden die Forscher heraus, dass positiv geladene Flächen die Eiskeimbildung in unterkühltem Wasser fördern, während dieselben negativ geladenen Oberflächen den Gefrierpunkt herabsetzen. Denn auf negativ geladenem LiTaO3 blieben unterkühlte Wassertropfen noch bei minus elf Grad Celsius flüssig, gefroren aber sofort, sobald sich die Oberfläche um drei Grad erwärmte und damit positiv geladen wurde.

Zudem frieren unterkühlte Tropfen auf positiv geladenem Untergrund zuerst an der Grenzfläche von Wasser und Kristall; auf negativ geladenen Oberflächen beginnt das Einfrieren dagegen am Wasser-Luft-Übergang. Lubomirsky und sein Team vermuten, dass das elektrische Feld nahe dem pyroelektrischen Material die Wassermoleküle je nach Polarität anders ausrichte und so die Eiskeimbildung unterschiedliche beeinflusse. Wie das genau vonstattenginge, sei bislang aber noch eine offene Frage.

Den Gefrierpunkt des unterkühlten Wassers zu kontrollieren, spiele in einer Vielzahl von Bereichen eine Rolle, schreiben die Autoren. Dabei denken sie etwa an das Überleben von wechselwarmen Tieren, die Kryokonservierung von Zellen und Geweben, den Schutz von Nutzpflanzen vor dem Erfrieren oder daran, Wolken zu impfen, um Schnee zu erzeugen.

Bereits seit 1861 ist bekannt, dass elektrische Felder nahe geladenen Oberflächen das Gefrierverhalten von unterkühltem Wasser beeinflussen. Zahlreiche Arbeiten untersuchten das Verhalten an metallischen Elektroden und anderen leitfähigen Materialien. Im Gegensatz dazu haben pyroelektrische Kristalle den Vorteil, dass sich an ihnen als Isolatoren der Einfluss des elektrischen Felds ungestört untersuchen lässt, argumentieren die Forscher. (mp)

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  • Quellen
Ehre, D. et al.: Water Freezes Differently on Positively and Negatively Charged Surfaces of Pyroelectric Materials. In: Science 327, S. 672–675, 2010.

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