Warum schwimmt Eis auf Wasser?

Wasser hat besondere Dichteeigenschaften. Dadurch ist es am Grund eines vereisten Sees wärmer als an der Oberfläche, so überleben die Tiere.

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Themenbild: Warum schwimmt Eis auf Wasser? – Reuters

Es ist Quelle des Lebens und ständiger Begleiter im Alltag. Dennoch gibt es vieles, was man bis heute über Wasser nicht weiß. Und viele Besonderheiten, die es von anderen Stoffen unterscheiden. Physiker bezeichnen diese speziellen Eigenschaften als Anomalien, die sogenannte Dichteanomalie ist eine davon. "Wasser erreicht sein Dichtemaximum bei plus vier Grad Celsius“, erklärt Christoph Dellago von der Fakultät für Physik der Uni Wien das Phänomen. Andere Flüssigkeiten werden bis zu ihrem Gefrierpunkt dichter.

Darum schwimmt das leichtere Eis an der Oberfläche und daher sinkt kaltes Wasser nicht herunter. Das sichert im Winter das Überleben der in tiefen Gewässern lebenden Tiere. Dass das so ist, weiß man schon länger. Auf molekularer Ebene verstanden Forscher aber bisher nicht vollständig, warum. Die Wiener Wissenschaftler um Dellago fanden im Sommer mit ihren Berechnungen heraus, dass dabei die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte eine wichtige Rolle spielen. Das sind Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen, die mit zunehmender Entfernung rasch abnehmen.

Dadurch laufen Geckos senkrecht

Deren Wirkung kennt man auch von Geckos: Sie haben an der Unterseite ihrer Füße Millionen feiner Haare, deren Spitzen sich in hunderte Enden aufspalten. Diese sind so winzig, dass zwischen ihnen und dem Untergrund, auf dem sich das Tier bewegt, Van-der Waals-Kräfte wirken. So können Geckos auf Fenstern senkrecht laufen. Die Phänomene der Natur zu simulieren benötigte aufwendige Computersimulationen mit mehreren Millionen Stunden Rechenzeit auf einem Hochleistungsrechner. Experimente könnten hier nicht die benötigte räumliche und zeitliche Auflösung bieten, erklärt Dellago. Am Computer könne man außerdem alle Schritte genau kontrollieren.

Die Forscher zeigten, dass die Van-der-Waals-Kräfte auf die sogenannten Wasserstoffbrücken wirken, die sich zwischen dem Wasserstoffatom eines Wassermoleküls und dem Sauerstoffatom eines anderen Wassermoleküls bilden. Dabei liegt der Wasserstoff auf der positiv geladenen Seite des Moleküls, der Sauerstoff auf der negativ geladenen – dadurch ziehen sich die Moleküle an. Solche Wasserstoffbrücken gibt es bei Wasser in flüssiger und fester Form. Steigt die Temperatur, werden diese Bindungen schwächer und unterbrochen. In Eis sind sie langlebiger und stabiler. „Die Van-der-Waals-Kräfte führen dazu, dass das Wasserbrückennetzwerk bei vier Grad Celsius zugleich stark und doch flexibel ist“, sagt Dellago. Dadurch wird Wasser bei Erwärmung dichter, während sich andere Stoffe ausdehnen, wenn sie erhitzt werden.

Mithilfe des Hochleistungscomputers zeigte die Forschergruppe um Dellago kürzlich auch, dass Wasser erst unter stärkerem Zug zerreißt als bisher vermutet. Wirken Zugkräfte, kommt es zur sogenannten Kavitation. Dabei bilden sich kleine Dampfbläschen, die die Flüssigkeit letztlich abreißen lassen. Auch diese aufwendigen Simulationen führten die Forscher am Vienna Scientific Cluster durch, dem derzeit schnellsten Supercomputer Österreichs. Die im Arsenal beheimatete Rechenmaschine ist aber auch energieeffizient: Künftig könnte die entstehende Abwärme zum Beheizen des Gebäudes genutzt werden.

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("Die Presse", Print-Ausgabe, 17.12.2016)

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