Wissenschaftler lösen eines der größten Rätsel des Wassers

Wasser ist überall und lebensnotwendig, verhält sich aber sehr anders als die meisten anderen Flüssigkeiten. Eigenschaften wie Dichte, spezifische Wärme, Viskosität und Kompressibilität reagieren auf Temperatur und Druck in einer Weise, die im Widerspruch zu dem steht, was Wissenschaftler bei anderen Substanzen beobachten.

Warum Wasser normalen physikalischen Regeln trotzt Die meisten Materialien werden dichter, wenn sie abkühlen. Nach dieser Logik sollte Wasser bei seinem Gefrierpunkt am dichtesten sein.

Alltägliche Beobachtungen zeigen jedoch das Gegenteil. Eis schwimmt, was bedeutet, dass es weniger dicht ist als flüssiges Wasser.

Tatsächlich erreicht Wasser seine maximale Dichte

Tatsächlich erreicht Wasser seine maximale Dichte bei 4 Grad C, weshalb es in einem Glas oder in natürlichen Gewässern unter Eis sinkt. Wird es unter 4 Grad abgekühlt, beginnt das Wasser erneut zu expandieren.

Wird reines Wasser weiter unter 0 Grad abgekühlt, ohne zu gefrieren (ein Prozess, der möglich ist, wenn die Kristallisation langsam verläuft), setzt sich diese Expansion fort und beschleunigt sich sogar mit sinkender Temperatur.

Auch andere Eigenschaften, darunter die Kompressibilität und die Wärmekapazität, werden beim Abkühlen des Wassers zunehmend ungewöhnlich.

Röntgenlaser enthüllen den verborgenen Zustand des

Röntgenlaser enthüllen den verborgenen Zustand des Wassers Um diese Geheimnisse zu untersuchen, verwendeten Wissenschaftler ultraschnelle Röntgenpulse an Einrichtungen in Südkorea, was es ihnen ermöglichte, Wasser zu beobachten, bevor es gefrieren konnte.

Dies machte es möglich, den kritischen Punkt zu identifizieren und seine Rolle bei der Formung des ungewöhnlichen Verhaltens des Wassers zu bestätigen.

„Besonders war, dass wir das X-ray unvorstellbar schnell konnten, bevor das Eis erstarrte, und beobachten konnten, wie der Übergang üssigkeit zu Flüssigkeit verschwindet und ein neuer kritischer Zustand entsteht“, sagt Anders Nilsson, Professor für Chemiephysik am Department of Physics der Stockholm University.

Jahrzehntelang gab es Spekulationen und verschiedene

„Jahrzehntelang gab es Spekulationen und verschiedene Theorien, um diese bemerkenswerten Eigenschaften zu erklären, und eine Theorie war die Existenz eines kritischen Punktes.

Nun haben wir gefunden, dass ein solcher Punkt existiert.“ Zwei flüssige Formen Übergang Wasser ist ungewöhnlich, weil es bei niedriger Temperatur und hohem Druck in zwei unterschiedlichen flüssigen Formen existieren kann. Diese Formen unterscheiden sich darin, wie ihre Moleküle angeordnet und verbunden sind.

Wenn die Temperatur steigt und der Druck sinkt, verschwindet die Unterscheidung zwischen diesen beiden flüssigen Zuständen und sie verschmelzen an dem kritischen Punkt zu einer einzigen Phase. Diese Region ist sehr instabil und erzeugt Schwankungen über einen weiten Bereich ücken, bis hin zu alltäglichen Bedingungen.

In diesem Zustand wechselt Wasser zwischen

In diesem Zustand wechselt Wasser zwischen den beiden flüssigen Strukturen, fast so, als könnte es sich nicht für eine entscheiden. Diese Schwankungen sind es, die dem Wasser seine ungewöhnlichen Eigenschaften verleihen.

Jenseits des kritischen Punktes tritt Wasser in einen superkritischen Zustand ein, welcher der Zustand . Ein Verlangsamungssystem nahe einem „Schwarzen Loch“-ähnlichen Zustand Die Forscher beobachteten auch, dass die Dynamik des Systems signifikant verlangsamt wird, wenn es sich dem kritischen Punkt nähert.

„Es sieht fast so aus, als könnte man den kritischen Punkt nicht verlassen, wenn man ihn betritt, fast wie ein Schwarzes Loch“, sagt Robin Tyburski, Forscher für Chemiephysik an der Stockholm University.

Durchbruch basiert auf fortschrittlicher Technologie „Es

Durchbruch basiert auf fortschrittlicher Technologie „Es ist erstaunlich, wie amorphe Eiskristalle, ein so intensiv untersuchter Zustand , unser Eintritt in die kritische Region waren.“ „Es ist eine große Inspiration für meine weiteren Studien und eine Erinnerung an die Möglichkeiten, Entdeckungen in stark untersuchten Themen wie Wasser zu machen“, sagt Aigerim Karina, Postdoc für Chemiephysik an der Stockholm University.

„Es war ein Traum, Wasser unter solch niedrigen Temperaturbedingungen messen zu können, ohne dass es gefriert“, sagt Iason Andronis, PhD-Student für Chemiephysik an der Stockholm University.

„Viele haben davon geträumt, diesen kritischen Punkt zu finden, aber die Mittel waren vor der Entwicklung der Röntgenlaser nicht verfügbar.“ „Ich finde es sehr spannend, dass Wasser die einzige überkritische Flüssigkeit unter Umgebungsbedingungen ist, wo Leben existiert, und wir auch wissen, dass es kein Leben ohne Wasser gibt.

Moegliche Anwendungen

Ist das ein reiner Zufall oder gibt es ein wesentliches Wissen, das wir in Zukunft gewinnen können?“ sagt Fivos Perakis, außerordentlicher Professor für Chemiephysik an der Stockholm University. Seit über einem Jahrhundert debattieren Wissenschaftler darüber, warum Wasser so anders reagiert, was auf die Arbeit Röntgen zurückgeht.

Laut Anders Nilsson könnte diese Entdeckung diese Debatte endlich beenden. „Forscher, die die Physik des Wassers untersuchen, können sich nun auf das Modell einigen, dass Wasser im supergekühlten Regime einen kritischen Punkt hat.

Der nächste Schritt ist es, die Implikationen dieser Ergebnisse für die Bedeutung , chemischen, biologischen, geologischen und klimabezogenen Prozessen zu finden.

Das ist eine große Herausforderung für

Das ist eine große Herausforderung für die nächsten Jahre.“ Referenz: „Experimental evidence of a liquid-liquid critical point in supercooled water“ , Marjorie Ladd-Parada, Kyeongmin Nam, Aigerim Karina, Seoyoung Lee, Myeongsik Shin, Cheolhee Yang, Yeseul Han, Sangmin Jeong, Kichan Park, Kyeongwon Kim, Minjeong Ki, Robin Tyburski, Iason Andronis, Keely Ralf, Jae Hyuk Lee, Intae Eom, Minseok Kim, Rory Ma, Dogeun Jang, Fivos Perakis, Peter H.

Poole, Katrin Amann-Winkel, Kyung Hwan Kim und Anders Nilsson, 26. März 2026, Science.

DOI: 10.1126/science.aec0018 Die Forschung umfasste eine Zusammenarbeit zwischen Institutionen wie der POSTECH University und PAL-XFEL in Südkorea, der Max-Planck-Gesellschaft und der Johannes Gutenberg University in Deutschland sowie der St. Francis Xavier University in Kanada.

Zu den Mitwirkenden der Stockholm University gehörten Aigerim Karina, Robin Tyburski, Iason Andronis und Fivos Perakis, zusammen mit ehemaligen Gruppenmitgliedern Kyung Hwan Kim, Marjorie Ladd-Parada und Katrin Amann-Winkel.