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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Eisbildung erstmals am Computer simuliert |
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| | | Wissenschaftlern gelang es erstmals, Wasser in einem sich verändernden Aggregatzustand am Computer zu simulieren. Dabei wurde der Veränderungsprozess vom flüssigen zum festen Zustand - Wasser, das zu Eis gefriert - dargestellt. |
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Dank eines "Supercomputers" konnten Iwao Ohmine und Kollegen von der Nagoya University nach sechs Jahren Forschungsarbeit die erste realistisch wirkende Simulation von zu Eis gefrierendem Wasser präsentieren.
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Molecular dynamics simulation of the ice
Der Artikel "Molecular dynamics simulation of the ice nucleation and growth process leading to water freezing" ist erschienen im aktuellen "Nature" 416, 409 - 413 (2002). |
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 Der Originalbeitrag (kostenpflichtig) |
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Bisherige Versuche scheiterten |
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Das Gefrieren von Wasser zu Eis ist zwar ein bekanntes und lang erforschtes Phänomen. Doch im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten scheiterten bisherige Versuche, diesen Vorgang am Computer zu simulieren. Der Grund dafür liegt in den besonderen Eigenschaften des Wassers.
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Wasser zu komplex für virtuelle Darstellung |
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Wasser ist eine der einfachsten und zugleich interessantesten chemischen Verbindungen. Neben jenen Eigenschaften, die ein Leben auf der Erde ermöglichen, zeichnet es sich durch besondere physikalische und chemische Vorgänge aus, deren Komplexität eine virtuelle Nachahmung bislang verhinderte.
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Anomalien von Wasser |
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Im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten dehnt sich Wasser bei Erwärmung nicht immer aus: Wasser besitzt bei vier Grad Celsius seine größte Dichte. Zwischen null und vier Grad zieht es sich zusammen, erst oberhalb von vier Grad dehnt es sich aus.
Durch sehr schnelles Herabkühlen von Wasser kann man es beispielsweise auf eine Temperatur bringen, die unterhalb von null Grad liegt, ohne dass es gefriert.
Auch ist die bekannte Form von Eis nur eine von bislang zwölf bekannten Eiszuständen. Die meisten dieser Zustände sind kristallin, doch gibt es auch amorphe Zustände, also ohne eindeutige Struktur.
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Brückenbindungen bestimmen Zustand und Oberfläche |
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Die Besonderheit des Wassers ist im wesentlichen auf die Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen. Diese sind verantwortlich für die Oberflächenspannung vor Wasser, aber auch den Aggregatzustand bei Raumtemperatur.
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Wasserstoffbrückenbindungen
Durch die unterschiedlichen Ladungen (bestehend aus dem negativ geladenen Sauerstoff und dem positiv geladenen Wasserstoff) innerhalb eines Wassermoleküls ist das Wassermolekül ein Dipol.
Da sich gleiche Ladungen abstoßen und unterschiedliche Ladungen anziehen, richten sich die Moleküle in gewissen Mustern an. Diese dreidimensionalen Anordnungen nennt man Cluster. Die Bindungen der Moleküle untereinander nennt man Wasserstoffbrückenbindung. |
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Eigenschaften des Wassers |
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Wasserstoffbrückenbindung entscheidend |
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Ohmine und Kollegen fanden nun heraus, dass die spontane Erscheinung von mehreren und ungewöhnlich lang anhaltenden Wasserstoffbrückenbindungen an einem Ort der entscheidende Schritt in Richtung Eisbildung ist.
Damit fanden sie auch den entscheidenden Ansatz für die erfolgreiche Wassersimulation am Computer.
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512 Moleküle untersucht |
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Anhand von 512 Molekülen untersuchten sie die "kapriziöse" Veränderung des Wassers vom flüssigen zum festen Zustand. Aufgrund der dabei wirkenden intermolekularen Kräfte gelang es ihnen, den ungefähren Standort der Moleküle zu berechnen.
Beim Veränderungsprozess vom flüssigen in den festen Aggregatzustand - der so genannte Phasenübergang - kommt es zur Einschränkung der Beweglichkeit von Molekülen. Schließlich ist am Gefrierpunkt die Interaktion zwischen den Molekülen oder Atomen höher als die thermische Energie.
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Einfluss der Temperatur auf den Phasenübergang
Bei hohen Temperaturen bewegt die thermische Energie die einzelnen Moleküle und Atome "ungeordnet" und "chaotisch", je weiter die Temperatur sinkt, desto weniger bewegen sie sich, die intermolekularen Wechselwirkungen hingegen steigen. |
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Aggregatzustand und Zustandsgrößen |
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Kristalline Struktur am Ende des Phasenübergangs |
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Der stabilste Zustand der Moleküle ist demnach der feste, in der Regel handelt es sich dabei um eine kristalline Struktur.
Während bei "simplen" Flüssigkeiten wie geschmolzenen Metallen oder Salzen der Phasenübergang ein sanfter ist, handelt es sich im Falle des Wassers um komplizierte Vorgänge, bis die einzelnen Moleküle ihren Standort endgültig einnehmen können.
Mit Hilfe der Analyse von Wasserstoffbrückenbindungen gelang es den Forschern nun erstmals, die ungefähren Standorte zu berechnen und damit die komplexen Vorgänge innerhalb des "Wassers" darzustellen.
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01.01.2010 |
