Seeeis in Russland. (Alexander Nikitin/moment/Getty Images) Wissenschaftler haben gerade bewiesen, dass die Gefriertemperatur von Wasser sogar noch niedriger sein kann, als wir es für möglich gehalten hätten.
Mithilfe winziger Wassertröpfchen mit einer Größe von bis zu 150 Nanometern hat ein Team von Ingenieuren der University of Houston die kritische Temperaturschwelle auf -44 Grad Celsius (-47,2 Grad Fahrenheit) erhöht – und, was noch wichtiger ist, sie genau gemessen.
Diese Errungenschaft ist nicht nur eine lustige Sache, mit der man auf Ingenieurspartys prahlt, sondern kann uns nun auch helfen, besser zu verstehen, wie Wasser gefriert, was Auswirkungen auf eine Reihe wissenschaftlicher Bereiche hat, von der Meteorologie bis zur Kryokonservierung.
„Die experimentelle Untersuchung der Gefriertemperatur von Wassertröpfchen mit einer Größe von wenigen Nanometern war eine ungelöste Herausforderung.“ sagt Maschinenbauingenieur Hadi Ghasemi der University of Houston, Texas.
„Hier konnten wir durch neu entwickelte Messtechniken das Gefrieren von Wassertröpfchen vom Mikrometerbereich bis hin zum 2-nm-Bereich untersuchen.“
Die meisten von uns denken nicht viel über Wasser nach, weil es so allgegenwärtig und für unsere Existenz unerlässlich ist. Aber gewöhnliches H 2 O ist eigentlich ziemlich seltsam; das tut es nicht verhalten sich wie jede andere Flüssigkeit . Sogar die Art und Weise, wie es gefriert, ist seltsam: Während andere Flüssigkeiten beim Abkühlen an Dichte zunehmen, wird Wasser beim Gefrieren tatsächlich weniger dicht.
Das Verhalten von Wasser ist ziemlich gut charakterisiert und untersucht. Wir wissen zum Beispiel, dass es bei verschiedenen Temperaturen dazu neigt, Eiskristalle zu bilden, und dass dieser Prozess manchmal bis zu -38 Grad Celsius widerstand. Jedes kältere und selbst die hartnäckigsten Wassermoleküle kleben als Eis zusammen.
Ghasemi und Kollegen senkten die Temperatur, indem sie Nanotröpfchen Wasser auf eine weiche Oberfläche wie ein Gel oder ein Lipid platzierten. Anschließend untersuchten sie die Tröpfchen mithilfe der elektrischen Widerstandsmessung und Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie um ihre Temperatur zu messen, während sie gefroren sind.
Die weiche Grenzfläche zwischen der Oberfläche und dem winzigen Tröpfchen schien eine Rolle bei der Unterdrückung der Eiskeimbildung zu spielen, möglicherweise aufgrund der Art und Weise, wie die Grenzfläche einen großen Druck auf das Tröpfchen erzeugt.
Dies liegt daran, dass die Gefriertemperatur des Wassers sinkt, wenn der Umgebungsdruck steigt. Der stärkste Effekt wurde bei einem Wassertropfen mit einer Größe von nur 2 Nanometern beobachtet.
„Wir haben herausgefunden, dass die Gefriertemperatur erheblich niedriger sein kann als bei harten Oberflächen, wenn ein Wassertropfen mit einer weichen Grenzfläche in Kontakt kommt.“ Ghasemi erklärt .
„Außerdem könnte ein wenige Nanometer großes Wassertröpfchen das Gefrieren bei -44 Grad Celsius verhindern, wenn es mit einer weichen Grenzfläche in Kontakt kommt.“
Die Art und Weise, wie winzige Wassertröpfchen gefrieren, ist für die Kryokonservierung von entscheidender Bedeutung, da das Gefrieren winziger Tröpfchen in Zellen dazu führen kann, dass diese Zellen platzen und absterben. Zu lernen, wie man diesen Prozess verlangsamt oder stoppt, könnte Wissenschaftlern dabei helfen, Wege zu finden, diesen Effekt abzuschwächen.
Es könnte uns auch helfen, besser zu verstehen, wie die Keimbildung in der Atmosphäre stattfindet, wo mikroskopisch kleine Wassertröpfchen gefrieren. Und es könnte uns auch dabei helfen, Technologien besser zu konstruieren, die unter Eis leiden, etwa Flugzeuge und Windkraftanlagen, sagten die Forscher.
„Die Ergebnisse stimmen gut mit den Vorhersagen der klassischen Keimbildungstheorie überein.“ „Dieses Verständnis trägt zu einem besseren Wissen über Naturphänomene und einem rationalen Design von Anti-Eis-Systemen für die Luftfahrt, Windenergie und Infrastrukturen und sogar Kryokonservierungssysteme bei“, Sie schreiben in ihre Arbeit .
„Die Ergebnisse ermöglichen ein Verständnis verschiedener Naturphänomene und bieten einen Weg für die Entwicklung überlegener Anti-Eis-Biomimetika oder glatter, mit Flüssigkeit durchtränkter Oberflächen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .