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Eis im Trickfilm

Schmelzende Eiskristalle als Computersimulation

10.01.2008

Eine Art Trickfilm zeigt eine geordnete Struktur, die sich nach einem Lichtblitz nach und nach in ein wimmelndes Durcheinander auflöst: Schwedische Wissenschaflter von der Universität Uppsala haben den Prozess des Schmelzens von Eis nach Erhitzen mit einem kurzen Laserpuls am Computer simuliert. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, bringt die aufgenommene Energie zunächst die OH-Bindungen der Moleküle zum Schwingen und wandelt sich nach einigen Pikosekunden (10-12 s) in Rotations- und Translationsenergie um. Dadurch beginnt der Kristall zu schmelzen, doch noch lange sind kristalline Bereiche erkennbar.

Das so genannte hexagonale Eis ist die übliche Kristallform von Eiskristallen. Die Sauerstoffatome der Wassermoleküle sind dabei in einem tetraedrischen Gitter angeordnet. Jedes Wassermolekül ist über Wasserstoffbrückenbindungen mit vier benachbarten Molekülen verbunden, man zählt also je zwei Brücken pro Molekül. In Wasser werden durchschnittlich nur etwa 1,75 Wasserstoffbrückenbindungen pro Molekül gefunden.

Was passiert beim Schmelzen? Carl Caleman und David van der Spoel ist es nun gelungen, am Computer "Schnappschüsse" von schmelzenden Eiskristallen zu simulieren. Diese so genannten Moleküldynamiksimulationen sind ideal, um Prozesse wie Schmelzen oder Einfrieren besser zu verstehen, denn sie ermöglichen es, gleichzeitig die Struktur und die Dynamik eines Systems mit atomarer Auflösung und mit einer zeitlichen Auflösung im Femtosekundenbereich (10-15 s) zu beschreiben.

Wie die Simulation zeigte, bringt die Energie des Laser-Pulses zunächst die OH-Bindungen der Wassermoleküle zum Schwingen. Direkt nach dem Puls erreicht die Vibrationsenergie ihr Maximum. Nach etwa einer Pikosekunde hat sich ein Großteil der Vibrationsenergie in Rotationsenergie umgewandelt. Die Moleküle beginnen, sich aus ihren Positionen im Kristall herauszudrehen, ihre Wasserstoffbrückenbindungen brechen. Nach etwa drei bis sechs Pikosekunden nehmen die Rotationen zu Gunsten von Translationsbewegungen ab. Die Moleküle sind nun frei beweglich, die Kristallstruktur bricht zusammen. Dieser Vorgang findet zunächst lokal an einzelnen Stellen des Kristalls statt. Ist die Symmetrie erst einmal durchbrochen, ist die Wahrscheinlichkeit für Schmelzprozesse in der direkten Umgebung des Kristalldefekts deutlich erhöht, der Schmelzvorgang breitet sich von dieser Stelle nach und nach weiter aus. An anderen Stellen kann das Eis noch eine Weile als Kristall bestehen bleiben.

Originalveröffentlichung: David van der Spoel et al.; "Picosecond Melting of Ice by an Infrared Laser Pulse: A Simulation Study"; Angewandte Chemie 2007.

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