Ein versteckter Übergang zwischen zwei Formen flüssigen Wassers könnte seine rätselhaftesten Eigenschaften erklären.
Warum ist Wasser bei 4 °C (39,2 °F) am dichtesten? Warum ist es so wichtig für die Entstehung und das Überleben des Lebens? Auf diese grundlegenden Fragen mag es so aussehen, als ob es in Lehrbüchern einfache Antworten geben sollte, dennoch gehören sie nach wie vor zu den hartnäckigsten Rätseln der Wissenschaft.
Nach mehr als einem Jahrzehnt Arbeit sagen Forscher nun, dass sie die Grundursache für das ungewöhnliche Verhalten des Wassers entdeckt haben. Ihre Erkenntnisse könnten die Art und Weise verändern, wie Wasser in Lehrbüchern erklärt wird.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Kyung Hwan Kim vom Fachbereich Chemie der POSTECH (Pohang University of Science and Technology) hat in Zusammenarbeit mit Professor Anders Nilsson vom Fachbereich Physik der Universität Stockholm den flüssig-flüssig-kritischen Punkt (LLCP) von Wasser direkt beobachtet. Dieses Phänomen ist seit Jahrzehnten eine der schwierigsten Herausforderungen der Wissenschaft. Die Studie wurde veröffentlicht inWissenschaft.
Obwohl Wasser einer der am besten untersuchten Stoffe ist, ist es noch immer nicht vollständig verstanden. Eine Leitidee besagt, dass seine seltsamen Eigenschaften auf das Vorhandensein eines kritischen Flüssig-Flüssigkeits-Punkts zurückzuführen sind, einem Zustand, in dem zwei verschiedene flüssige Formen von Wasser nicht mehr zu unterscheiden sind.
Die Herausforderung des „Niemandslandes“
Wissenschaftler haben seit langem vorhergesagt, dass das LLCP, wenn es existiert, in einem stark unterkühlten Bereich zwischen etwa -40 °C (-40 °F) und -70 °C (-94 °F) liegen würde, der oft als „Niemandsland“ bezeichnet wird. Um dies zu testen, müssen Forscher flüssiges Wasser untersuchen, das unter -40 °C (-40 °F) aufgetaut bleibt. Allerdings gefriert Wasser in diesem Bereich so schnell, dass herkömmliche Messmethoden es nicht erfassen können, sodass eine direkte Beobachtung über Jahrzehnte nahezu unmöglich ist.
In den letzten zehn Jahren hat das Team daran gearbeitet, diese Hürde zu überwinden. Sie verwendeten einen Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL), manchmal auch „Traumlicht“ genannt, der extrem intensive Röntgenimpulse erzeugt. Dieses Werkzeug kann molekulare Bewegungen in nur einer Zehn-Billionstel-Sekunde erfassen. Die Experimente wurden am PAL-XFEL im Pohang Accelerator Laboratory durchgeführt.
Durchbrüche über ein Jahrzehnt
Im Jahr 2017 zeigten die Forscher als erste, dass flüssiges Wasser untersucht werden kann, ohne bei Temperaturen von bis zu -45 °C (-49 °F) zu gefrieren. Dies bewies, dass die einst „unzugängliche“ Region erkundet werden konnte.
Bis 2020 verfeinerten sie ihre Methode mithilfe von amorphem Eis und konnten so die Messungen auf bis zu -70 °C (-94 °F) ausdehnen. Diese Experimente lieferten den ersten Beweis dafür, dass Wasser bei extrem niedrigen Temperaturen in zwei unterschiedlichen flüssigen Formen existieren kann. Beide Studien wurden veröffentlicht inWissenschaftund erregte große Aufmerksamkeit.
Direkte Beobachtung des kritischen Punktes
In ihrer neuesten Arbeit hat das Team genau verfolgt, wie sich Wasser unter verschiedenen Temperaturen und Drücken verhält. Sie berichten über die erste direkte Beobachtung eines flüssig-flüssig kritischen Punkts nahe -60 °C (-76 °F). An diesem Punkt verschmelzen zwei getrennte Flüssigkeitszustände zu einer einzigen überkritischen Flüssigkeit. Dieses Ergebnis enthüllt die zugrunde liegende Quelle der ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser.
Diese Entdeckung spiegelt jahrelange kontinuierliche Bemühungen wider, die sich auf ein grundlegendes wissenschaftliches Problem konzentrierten. Durch die Umwandlung einer seit langem bestehenden Theorie in direkte experimentelle Beweise haben die Forscher unser Verständnis von Wasser erweitert.
Professor Kyung Hwan Kim sagte: „Die jahrelange intensive Debatte in der wissenschaftlichen Gemeinschaft über die ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser und einen kritischen Flüssig-Flüssigkeits-Punkt wurde endlich beendet.“ Er fügte hinzu: „Diese Entdeckung wird als Ausgangspunkt für die Aufdeckung der wesentlichen Rollen dienen, die Wasser in lebenden Systemen und bei einer Vielzahl natürlicher Phänomene spielt.“
Referenz: „Experimenteller Nachweis eines flüssig-flüssig kritischen Punkts in unterkühltem Wasser“ von Seonju You, 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,Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.aec0018
Diese Forschung wurde von der National Research Foundation of Korea (NRF), durch das Outstanding Young Scientist Grant-Programm und das Leading Research Center Support Program sowie von der Samsung Science and Technology Foundation unterstützt.
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Ein versteckter Übergang zwischen zwei Formen flüssigen Wassers könnte seine rätselhaftesten Eigenschaften erklären.
Warum ist Wasser bei 4 °C (39,2 °F) am dichtesten? Warum ist es so wichtig für die Entstehung und das Überleben des Lebens? Auf diese grundlegenden Fragen mag es so aussehen, als ob es in Lehrbüchern einfache Antworten geben sollte, dennoch gehören sie nach wie vor zu den hartnäckigsten Rätseln der Wissenschaft.
Nach mehr als einem Jahrzehnt Arbeit sagen Forscher nun, dass sie die Grundursache für das ungewöhnliche Verhalten des Wassers entdeckt haben. Ihre Erkenntnisse könnten die Art und Weise verändern, wie Wasser in Lehrbüchern erklärt wird.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Kyung Hwan Kim vom Fachbereich Chemie der POSTECH (Pohang University of Science and Technology) hat in Zusammenarbeit mit Professor Anders Nilsson vom Fachbereich Physik der Universität Stockholm den flüssig-flüssig-kritischen Punkt (LLCP) von Wasser direkt beobachtet. Dieses Phänomen ist seit Jahrzehnten eine der schwierigsten Herausforderungen der Wissenschaft. Die Studie wurde veröffentlicht inWissenschaft.
Obwohl Wasser einer der am besten untersuchten Stoffe ist, ist es noch immer nicht vollständig verstanden. Eine Leitidee besagt, dass seine seltsamen Eigenschaften auf das Vorhandensein eines kritischen Flüssig-Flüssigkeits-Punkts zurückzuführen sind, einem Zustand, in dem zwei verschiedene flüssige Formen von Wasser nicht mehr zu unterscheiden sind.
Die Herausforderung des „Niemandslandes“
Wissenschaftler haben seit langem vorhergesagt, dass das LLCP, wenn es existiert, in einem stark unterkühlten Bereich zwischen etwa -40 °C (-40 °F) und -70 °C (-94 °F) liegen würde, der oft als „Niemandsland“ bezeichnet wird. Um dies zu testen, müssen Forscher flüssiges Wasser untersuchen, das unter -40 °C (-40 °F) aufgetaut bleibt. Allerdings gefriert Wasser in diesem Bereich so schnell, dass herkömmliche Messmethoden es nicht erfassen können, sodass eine direkte Beobachtung über Jahrzehnte nahezu unmöglich ist.
In den letzten zehn Jahren hat das Team daran gearbeitet, diese Hürde zu überwinden. Sie verwendeten einen Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL), manchmal auch „Traumlicht“ genannt, der extrem intensive Röntgenimpulse erzeugt. Dieses Werkzeug kann molekulare Bewegungen in nur einer Zehn-Billionstel-Sekunde erfassen. Die Experimente wurden am PAL-XFEL im Pohang Accelerator Laboratory durchgeführt.
Durchbrüche über ein Jahrzehnt
Im Jahr 2017 zeigten die Forscher als erste, dass flüssiges Wasser untersucht werden kann, ohne bei Temperaturen von bis zu -45 °C (-49 °F) zu gefrieren. Dies bewies, dass die einst „unzugängliche“ Region erkundet werden konnte.
Bis 2020 verfeinerten sie ihre Methode mithilfe von amorphem Eis und konnten so die Messungen auf bis zu -70 °C (-94 °F) ausdehnen. Diese Experimente lieferten den ersten Beweis dafür, dass Wasser bei extrem niedrigen Temperaturen in zwei unterschiedlichen flüssigen Formen existieren kann. Beide Studien wurden veröffentlicht inWissenschaftund erregte große Aufmerksamkeit.
Direkte Beobachtung des kritischen Punktes
In ihrer neuesten Arbeit hat das Team genau verfolgt, wie sich Wasser unter verschiedenen Temperaturen und Drücken verhält. Sie berichten über die erste direkte Beobachtung eines flüssig-flüssig kritischen Punkts nahe -60 °C (-76 °F). An diesem Punkt verschmelzen zwei getrennte Flüssigkeitszustände zu einer einzigen überkritischen Flüssigkeit. Dieses Ergebnis enthüllt die zugrunde liegende Quelle der ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser.
Diese Entdeckung spiegelt jahrelange kontinuierliche Bemühungen wider, die sich auf ein grundlegendes wissenschaftliches Problem konzentrierten. Durch die Umwandlung einer seit langem bestehenden Theorie in direkte experimentelle Beweise haben die Forscher unser Verständnis von Wasser erweitert.
Professor Kyung Hwan Kim sagte: „Die jahrelange intensive Debatte in der wissenschaftlichen Gemeinschaft über die ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser und einen kritischen Flüssig-Flüssigkeits-Punkt wurde endlich beendet.“ Er fügte hinzu: „Diese Entdeckung wird als Ausgangspunkt für die Aufdeckung der wesentlichen Rollen dienen, die Wasser in lebenden Systemen und bei einer Vielzahl natürlicher Phänomene spielt.“
Referenz: „Experimenteller Nachweis eines flüssig-flüssig kritischen Punkts in unterkühltem Wasser“ von Seonju You, 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,Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.aec0018
Diese Forschung wurde von der National Research Foundation of Korea (NRF), durch das Outstanding Young Scientist Grant-Programm und das Leading Research Center Support Program sowie von der Samsung Science and Technology Foundation unterstützt.
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