09.12.2021 - University of Houston

Forscher der Universität Houston verschieben die Grenze des Gefrierpunkts von Wasser

Winzige gefrierende Wassertröpfchen unter die Lupe genommen

Obwohl es eines der großen Rätsel der Wissenschaft ist, entzieht sich die Umwandlung von Wasser in Eis oft dem Verständnis der Menschen, da man einfach annimmt, dass es so geschieht. Doch wie und warum dies geschieht, ist Gegenstand intensiver Untersuchungen von Eisforschern wie Hadi Ghasemi, Cullen Associate Professor für Maschinenbau an der University of Houston. Um den Prozess der Kristallisation von Wasser zu Eis auf molekularer Ebene zu beobachten, hat Ghasemi den bisher besten Blick auf den Prozess geworfen: die Phasenumwandlung von Wasser in Eis mit einem Durchmesser von bis zu 2 nm (Nanometer).

Als Ghasemi diese winzigen Partikel untersuchte, machte er eine weitere Entdeckung. Er konnte die Grenze des Gefrierens von Wasser durchbrechen und die winzigen Tröpfchen flüssig halten, indem er sie in Kontakt mit weichen Grenzflächen wie Gelen oder Lipiden brachte.

"Wir fanden heraus, dass die Gefriertemperatur eines Wassertropfens, der mit einer weichen Oberfläche in Berührung kommt, deutlich niedriger sein kann als bei harten Oberflächen. Auch ein Wassertropfen von einigen Nanometern Größe könnte das Gefrieren bis zu -44 °C vermeiden, wenn er mit einer weichen Oberfläche in Kontakt ist", berichtet Ghasemi in Nature.

Die Gefriergrenze eines Wassertropfens liegt bei -38 °C. Das heißt, jedes Wassertröpfchen gefriert bei einer Temperatur zwischen 0 °C und -38 °C. Unterhalb dieser Temperatur war das Gefrieren bisher unvermeidlich.

Der Prozess des Gefrierens eines solch winzigen Wassertröpfchens spielt eine entscheidende Rolle für das Überleben von Tieren in kalten Umgebungen, da ein gefrorenes Wassertröpfchen in einer Zelle zum Zerreißen der Zelle und zum Tod führt. Der Prozess spielt auch eine wichtige Rolle bei der Klimavorhersage, bei Wolkenbedingungen, bei der Kryokonservierung von Organen und bei Technologien, die Vereisungsbedingungen ausgesetzt sind, wie Flugzeuge und Windturbinen.

"Die experimentelle Untersuchung der Gefriertemperatur von Wassertröpfchen im Nanometerbereich war bisher eine ungelöste Herausforderung. Mit Hilfe neu entwickelter Messverfahren konnten wir das Gefrieren von Wassertröpfchen im Mikrometerbereich bis hinunter zu 2 nm messen", so Ghasemi.

Zuvor hatte Ghasemi ein eisabweisendes Material für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt mit Hilfe eines neuen Konzepts namens Spannungslokalisierung entwickelt. Seine aktuellen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis von Naturphänomenen bei und liefern Leitlinien für die weitere Entwicklung von Vereisungsschutzsystemen für die Luftfahrt, Windenergie und Infrastrukturen und sogar für Kryokonservierungssysteme.

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