Nassforschers Träume

Viereckige Schneeflocken, 500 Grad heißes Eis, wässriges Glas – die Wissenschaft staunt immer wieder neu über H2O

Um die Grafik zu öffnen, klicken Sie bitte auf das Bild

Das Bekenntnis könnte kaum eindeutiger sein. „Wasser ist überhaupt nicht verstanden“, sagt Eugene Stanley – einer, der es wissen muss. Der Leiter des Polymer Research Center der Boston University gilt weltweit als führender „Wasserkopf“. Mit Analyseverfahren und Computerpower ist der Physiker seit Jahrzehnten dem Nass wissenschaftlich auf der Spur.

Doch nicht nur ihm, jedem von uns begegnen die Absonderheiten des Wasser. Wenn es gefriert, zieht es sich nicht wie andere Stoffe zusammen. Im Gegenteil: Die Dichte sinkt, es dehnt sich aus und sprengt Sprudelflaschen, Bauwerke und Straßen. Die größte Dichte hat Wasser dagegen bei vier Grad. Ursache? Letztlich unverstanden.

Warum kann man Schlittschuhlaufen? Selbst bei eisigsten Temperaturen ermöglicht ein dünner, flüssiger Film unter den Kufen das Gleiten auf der Eisfläche – obwohl man mindestens einen Elefanten bräuchte, um genügend Gewicht auf die Kufen zu bringen, damit allein Druck und Reibung das Eis darunter zum Schmelzen brächten. Wieder: Ursache unverstanden. Oder warum schmerzt ein Bauchplatscher ins kalte Wasser weniger als ins warme? Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Kompressibilität – die Bereitschaft einer Substanz, sich zusammendrücken zu lassen – ist anders als bei allen anderen Stoffen. Wieso? Ursache unverstanden. Materialforscher können den Katalog von den Absonderheiten des Wassers noch beliebig erweitern. Thermische Ausdehnung, Mischbarkeit, Heizbarkeit: Im Detail unverstanden.

Dabei ist Wasser an sich nicht mehr als ein Molekül, dessen chemische Formel die wohl bekannteste schlechthin ist: zweimal Wasserstoff, einmal Sauerstoff, H2O. Wie man dessen Struktur pantomimisch darstellt, hat Nature- Redakteur Philip Ball in seiner Biographie des Wassers beschrieben: „Zuerst stellen Sie sich aufrecht hin und spreizen die Beine auseinander – wenn Sie einen Winkel von 109 Grad hinbekommen, ist das sehr gut.“ Die Hände sind nun die Wasserstoffatome, im Bauchbereich sitzt das Sauerstoffatom.

Unberechenbar wird das Wasser durch seine Möglichkeiten zum sozialen Kontakt. Über so genannte Wasserstoffbrückenbindungen lassen sich die Moleküle vernetzen. Auch das geht mit der Ballschen Anleitung. Die Füße sind nämlich die beiden freien Elektronenpaare am Sauerstoffatom, die als eine Art Haken für die Wasserstoffatome des Nachbarn dienen. Chemie als Mannschaftssport: „Hände können Knöchel greifen und sonst nichts.“ Bis zu vier molekulare Nachbarn kann also ein einzelnes Wassermolekül haben. Dummerweise ist die Art der Wasserstoffbrücke letztlich unverstanden. Und zusätzlich können sich die Moleküle auch noch verbiegen und drehen, Nachbarn können ungebunden in die Zwischenräume hüpfen, alle gemeinsam können Gruppen bilden, diese können ihre Größe ändern, fluktuieren…

Die 13 Gesichter des Eises

Allein das Eis, die kristalline Form von Wasser, hat 13 verschiedene Gesichter. Die Eigenschaften der Eissorten sind genauso unterschiedlich wie ihre molekularen Nachbarschaftsbeziehungen. Die üblichste Form, Eis-I, in der die Moleküle wie Bienenwaben sechseckig angeordnet sind, ist verantwortlich für die sechseckigen Schneeflocken. Unüblichere Eiserscheinungen zaubern die Forscher, indem sie die Temperatur ändern oder mit Stempeln auf das Eis pressen. Bei einem Druck von 10000 bar ist Wasser selbst bei 500 Grad Hitze noch gefroren. Würde es bei diesen extremen Bedingungen schneien, käme Eis-VII vom Himmel. Die Schneeflocken wären viereckig, und Eisschollen würden untergehen.

Christoph Salzmann ist Eisforscher an der Universität Innsbruck. Die letzte Art festen Wassers wurde vor fünf Jahren entdeckt. „Momentan schaut’s nicht nach etwas Neuem aus“, sagt der Österreicher. Dabei blicken die Forscher längst über den irdischen Tellerrand hinaus: Messungen der Raumsonde Galileo haben vor zwei Jahren verschiedene Sorten von Eis-I bis Eis-VI in einer 900 Kilometer dicken Schicht auf dem Jupitermond Ganymed identifiziert. Und es gibt auch noch seltsamere Wasserformen: Wasserglas.

In diesem Zustand herrscht im Wasser atomarer Wildwuchs. Geordnete molekulare Nachbarschaftsverhältnisse existieren nicht mehr. Festes glasiges Wasser ist wie eine Flüssigkeit, nur können sich die Moleküle nicht mehr gegeneinander verschieben. Den ersten Vertreter dieser sonderbaren Spezies haben Physiker in Kanada vor 19 Jahren fabriziert, als sie bei minus 200 Grad auf einen Eisklotz drückten. Mittlerweile gibt es drei Glaswässer, zwei sehr dichte und eines, das auf flüssigem Wasser schwimmt.

Im Polymer Research Center in Boston versucht Eugene Stanley, das weltweite Heer der Wasserforscher mit seinen Ideen für eine neue Jagd zu gewinnen, vielleicht das letzte Kapitel im Buch der wässrigen Geheimnisse. Titel: Die Suche nach dem zweiten kritischen Punkt. Bisher ist lediglich ein solcher Punkt bekannt, er liegt bei 374 Grad. Unterhalb dieser Temperatur hängen Druck und Siedepunkt nach dem Prinzip desDampfkochtopfs zusammen: je höher der Druck, desto höher die Siedetemperatur des Wassers. Oberhalb des kritischen Punkts indes siedet gar nichts mehr. Das Wasser wird „überkritisch“, Flüssigkeit und Dampf lassen sich dort nicht mehr unterscheiden.

Einen ähnlichen Punkt könnte es auch bei tiefen Temperaturen geben, Stanley vermutet ihn bei exakt minus 45 Grad. Die Idee klingt skurril, ist aber bestechend. Unterhalb des neuen kritischen Punkts könnten demnach zwei Sorten flüssigen Wassers existieren, die sich unterscheiden wie Wasser und Dampf unterhalb des ersten kritischen Punkts. Die Temperaturen, bei denen einem flüssiges Wasser gemeinhin begegnet, liegen jedoch oberhalb von null Grad und damit klar diesseits des neuen kritischen Punkts.

Zwei Wasserarten im Sprudel

Die Konsequenz von Stanleys Gedanke: Das normale flüssige Wasser ist eine Mischung, in der die beiden Wasserformen nebeneinander existieren, ununterscheidbar. In der Sprudelflasche ist also nicht ein Wasser, es tummeln sich zwei darin. Eine Vorstellung, wie die beiden aussehen, haben die Forscher auch. Sie sollen verschieden dichte Arten des Glaswassers sein, das im Gegensatz zu den bereits entdeckten festen Glasformen aber flüssig ist.

Was wäre der Vorteil einer solchen Erklärung? „Damit könnten wir alle Anomalien erklären“, sagt Stanley. In der Nähe eines kritischen Punkts schlagen physikalische Größen wie Kompressibilität, Wärmeausdehnung und Heizbarkeit Kapriolen und wachsen ins Unendliche. Wasser würde also immer weicher, je näher man dem geheimnisvollen Punkt käme. Das Problem mit dem Bauchplatscher wäre gelöst. Auch das Dichtemaximum bei vier Grad wäre eine logische Konsequenz. Dort wäre im Wettstreit der beiden Wasserformen schlicht die dichtere Sorte im Vorteil – Problem Eisscholle gelöst. Genauso das Schlittschuhlaufen: Eine der neuen Wasserarten könnte auch diesseits des kritischen Punkts (minus 45 Grad) auf der Eisoberfläche präsent sein und die dünne flüssige Schicht bilden. Das Oberflächenschmelzen wäre damit ein Effekt, bei dem die Wasserzwillinge eine Rolle spielen könnten.

Könnte, wäre, hätte, würde – direkte Beweise für seine Existenz wird der kritische Punkt schuldig bleiben. Wenn er existiert, liegt er im Niemandsland. Zwar lässt sich sehr reines Wasser bis auf minus 40 Grad abkühlen, ohne dass es gefriert. Doch unterhalb davon wird auch der sauberste Wassertropfen zu Eis.

Bleiben die Indizien, und davon gibt es einige. An der Universität Kiel hat eine Forschergruppe eine dichte Wasserart in der Umgebung von gefrorenen Zellwänden entdeckt. Physiker am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart haben dichte Wasserschichten zwischen Eis und felsigem Untergrund gesichtet. Die Erklärung der Effekte ist die Erweiterung der Schlittschuhtheorie: An allen Grenzflächen könnte eine der neuen Wasserformen auftauchen. Bei dem Gedanken beginnen auch andere zu jubeln: Klimaforscher, Biologen, Gletscherforscher und Genetiker – sie alle hätten mit den fluktuierenden Wasserformen ein neues Werkzeug in der Hand, um ihre Probleme besser zu verstehen. Bisher ist in allen Rechnungen die Rolle des Wassers die große Unbekannte.

2000 Jahre, nachdem Aristoteles Wasser zum zentralen Element der Wissenschaft erhoben hat, herrscht in der Forscherequipe Aufbruchstimmung. Der Chemiker Alfons Geiger, der an der Uni Dortmund neue Wassermodelle berechnet, wagt sogar die schwärmerische Prognose: „Wir werden das Wasser bald verstanden haben.“