(Terry Vlisidis/iStock) Eis ist ein komplexes Tier. Während Sie und ich immer nur mit einer Art davon in Kontakt kommen, wissen Wissenschaftler tatsächlich davon 20 verschiedene molekulare Sorten – einige sind so esoterisch und selten, dass sie vielleicht nur existieren in Computersimulationen oder in fernen Planeten begraben.
Aber nur weil Wasser auf so viele verschiedene Arten zu einem Feststoff gefrieren kann, ist seine Kristallisation nicht unbedingt unvermeidlich. In einem neuen Experiment konnten Wissenschaftler Wasser erzeugen, das sich scheinbar nie in Eis verwandelt, selbst wenn es Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ausgesetzt wird.
Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, sogenannte „ nicht gefrierbares Wasser ', aber Wissenschaftler finden ständig neue Ansätze, um die Grenzen dieser Techniken zu testen.
Einige davon beinhalten das Studium dessen, was als bekannt ist amorphes Eis , eine amorphe, aber feste Form von Wasser, bei der sich niemals Eis bildet, da Wassermoleküle daran gehindert werden, sich zu bilden Kristallisation .
Letztes Jahr gelang es Wissenschaftlern in Schweden, flüssiges Wasser auf a zu unterkühlen Rekordtieftemperatur von etwa –45 Grad Celsius (–49 Grad Fahrenheit) ohne Eisbildung, doch nun sind Forscher in der Schweiz sogar noch weiter gegangen.
Mit einer Form von „Nanobeschränkung“ Mithilfe synthetisierter Membranen auf Lipidbasis gelang es Forschern der ETH Zürich und der Universität Zürich, Wasser bis auf –263 Grad Celsius (–441 Grad Fahrenheit) zu bringen, also nur 10 Grad Celsius darüber Absoluter Nullpunkt , ohne dass es zu Eis wird.
„Der physikalische Einschluss von Wasser im Nanomaßstab kann eine wichtige Rolle bei der Steuerung seiner Eigenschaften spielen“, erklären die Autoren in ihrer Arbeit .
„Insbesondere ein Einschluss im Nanometerbereich kann die Anordnung von Wassermolekülen in einer Eisstruktur verhindern und dadurch die Kristallisation bei Temperaturen unter Null verhindern und einen Zustand von amorphem Wasser erzeugen.“
Um ihre ahnungslosen Wassermoleküle einzufangen, synthetisierte das Team eine neue Klasse von Fettmolekülen, die sich zu einem weichen biologischen Material namens Lipidmesophase formen.
3D model of the lipid mesophase (Peter Rüegg/ETH Zurich)
In dieser Struktur organisieren sich die Fettmoleküle selbst zu einer Anordnung, die ein extrem enges Netzwerk verbundener Kanäle mit einem Durchmesser von jeweils weniger als 1 Nanometer erzeugt.
In diesen winzigen Tunneln können Wassermoleküle auf engstem Raum in flüssiger Form existieren, aber der Raum ist so unglaublich begrenzt, dass eine Eiskristallisierung auf molekularer Ebene unmöglich ist – selbst wenn die Lipid-Mesophase mit flüssigem Helium auf etwa 10 Kelvin abgekühlt wurde.
Diese Nanobeschränkungsleistung ist den Forschern zufolge auf molekulare Modifikationen innerhalb der Atomstruktur des Fettmaterials zurückzuführen, die hydrophobe (wasserabweisende) und hydrophile (wasseranziehende) Teile der Mesophase neu anordnen.
„Die Neuheit unserer Lipide ist die Einführung hochgespannter dreigliedriger Ringe an bestimmten Positionen innerhalb der hydrophoben Teile der Moleküle“, sagt einer aus dem Team , Chemiker Ehud Landau von der Universität Zürich.
„Diese ermöglichen die notwendige Krümmung, um solch winzige Wasserkanäle zu erzeugen und die Kristallisation von Lipiden zu verhindern.“
Das Material bildet verzweigte Membranen, die Wasser einschließen, hellblau dargestellt (Livia Salvati Manni/ETH Zürich)
Während keine Kristallisation auftritt, wird das Wasser bei diesen extrem niedrigen Temperaturen „glasig“: a Unterzustand der Materie Das ist fest, aber auf molekularer Ebene ist es dennoch kein Eis nicht kristallin wie Eis .
Angesichts der Tatsache, dass sich nie Eiskristalle bilden, sagen die Forscher, dass die Lipid-Mesophasenmembranen Wissenschaftlern eines Tages dabei helfen könnten, proteinbasierte Materie zu konservieren, ohne sie zu beschädigen, und sie bei sehr niedrigen Temperaturen in ihrer ursprünglichen Form zu halten, oder uns dabei helfen könnten, neue Wege zu finden, um das Gefrieren von Wasser zu verhindern in Eis.
„Aber unsere Arbeit zielte nicht auf exotische Anwendungen ab“, sagt Physiker und Forscher für weiche Materialien Raffaele Mezzenga von der ETH Zürich.
„Unser Hauptaugenmerk lag darauf, Forschern ein neues Werkzeug an die Hand zu geben, um die Untersuchung molekularer Strukturen bei niedrigen Temperaturen ohne störende Eiskristalle zu erleichtern und letztendlich zu verstehen, wie zwei Hauptkomponenten des Lebens, Wasser und Lipide, unter extremen Temperatur- und geometrischen Bedingungen interagieren.“ Gefangenschaft.'
Über die Ergebnisse wird berichtet Natur-Nanotechnologie .