Das Gefrieren von Wasser ist im Detail so komplex, dass japanische Forscher für die erste realistische Simulation im Computer ganze sechs Jahre benötigten. Anhand von 512 virtuellen Molekülen konnten sie zeigen, dass es beim Enstehen von Gefrierpunkten einen wichtigen ersten Schritt gibt. Ein erster Eiskern bildet sich, wenn spontan mehrere ungewöhnlich lang haltende Wasserstoffbindungen zwischen Wassermolekülen an einem Ort entstehen. Dieser Kern verändert langsam Form und Größe, bis sich stabilere Bindungen schnell durch das gesamte System ausbreiten und die Flüssigkeit zu Eis werden lassen.
Ein Supercomputer war nötig, um das komplexe Verhalten der Natur nachzustellen. Iwao Ohmine und Kollegen von der japanischen Universität Nagoya stellten ihre Ergebnisse im Fachblatt Nature vor. Wassermoleküle ordnen sich, im Gegensatz zu Molekülen geschmolzener Metalle oder Salze, bei sinkenden Temperaturen nicht zu regelmäßigen Kristallen an. Unterhalb des jeweiligen Schmelzpunkts werden die Kräfte zwischen den Molekülen normalerweise stärker als die thermische Energie, die die Moleküle in freier Bewegung hält. Doch die Wassermoleküle sind über ein ungeordnetes, dreidimensionales Netz aus Wasserstoffbindungen verknüpft, die ihnen beim Phasenübergang von flüssig zu fest erlauben, verschiedene mikroskopische Strukturen anzunehmen. Dieses Verhalten erklärt auch das so genannte “Supercooling” von Wasser – die Eigenschaft, unter bestimmten Umständen flüssig zu bleiben, selbst wenn es deutlich unter seinen Gefrierpunkt gekühlt wurde.
Dörte Saße
