Metastabile Formen von festem Wasser

Forschungsprojekt P 13930Metastabile Formen von festem WasserAndreas HALLBRUCKER11.10.1999 Das wissenschaftliche Interesse an Wasser im gasförmigen, flüssigen und festen Zustand ist nach wie vor sehr groß, da unsere Kenntnisse über diese außerordentlich wichtige Substanz noch ziemlich unvollständig sind. Abgesehen von Untersuchungen an den in der Natur am häufigsten vorkommenden Formen von Wasser - gasförmigem und flüssigem Wasser sowie hexagonalem Eis - nimmt die Erforschung der außergwöhnlichen kristallinen und der verschiedenen amorphen Modifikationen immer breiteren Raum ein. Wie durch Messungen von verschiedenen Raumsonden belegt wird, ist Wasser sehr wahrscheinlich ein wesentlicher Bestandteil von Planeten, Kometen und interstellaren Nebeln. Auf Grund der außergewöhnlichen Druck- und Temperaturverhältnisse liegt Wasser unter diesen Bedingungen höchstwahrscheinlich in amorpher Form vor, was auch durch Infrarot-Spektren bestätigt werden konnte. Im Falle einer Temperaturerhöhung wird dieses amorphe Eis wahrscheinlich in kubisches Eis umgewandelt. Die Kenntnis von Bildungsbedingungen, Stabilitätsbereichen und anderen physikalischen Eigenschaften dieser verschiedenen festen Formen von Wasser ist wesentlich, um von bekannten Umgebungsbedingungen auf die Struktur des vorhandenen Wassers schließen zu können, besonders in jenen Fallen, wo eine direkte Messung praktisch nicht möglich ist. Eine Reihe weiterer Fragen wird im Zusammenhang mit Wasser augenblicklich in der Wissenschaft lebhaft diskutiert, wie z. B. die Beziehung von flüssigem, unterkühltem und glasartigem Wasser, die Möglickeit einer `Polymorphie des amorphen Zustandes`, verschiedene neue kristalline Eismodifikationen, die Existenz von hochviskosern flüssigem Wasser weit unterhalb der `kritischen Temperatur` von -43 C usw. Im Rahmen des beantragten Forschungsprojektes wollen wir im Detail Proben von kubischem Eis untersuchen, die auf verschiedene Weise hergestellt worden sind: i) Direkt, durch Abscheidung von gasförmigem bzw. flüssigem Wasser im geeigneten Temperatur-bereich ii) Durch Erwärmen von amorphem Eis, das durch Abscheidung von gasförmigem und flüssigem Wasser sowie durch Anwendung von hohem Druck aus verschiedenen kristallinen Eismodifikationen hergestellt wurde. Diese kubischen Eisproben sollen durch Röntgenbeugung und Differentielle Scanning-Kalorimetrie (DSC) untersucht werden. Durch die von uns entwickelte experimentelle Anordnung kann die Probe für die kalorimetrische und die Beugungsmessung im selben Experiment hergestellt werden, was es ermöglicht, die strukturellen Veränderungen beim Erwärmen mit den dabei auftretenden thermischen Effekten zu korrelieren. Die Bildungsbedingungen verschieden hergestellter kubischer Eisproben sollen ermittelt und die thermodynamischen und kinetischen Daten der Phasenumwandlung während des Erwärmens erfällt werden. Die Bestimmung der oberen Grenztemperatur für die Stabilität der verschiedenen kubischen Eisproben ist besonders im Zusammenhang mit der Kryobiologie von Bedeutung, wo im Falle der Eisbildung in biologischen Praparaten kubisches Eis hexagonalem Eis vorgezogen wird, weil dabei wesentlich geringere Gefrierschaden auftreten. Die geplanten Untersuchungen werden auch die Bestimmung der Temperaturgrenzen für die Bildung von amorphem Eis aus der Gasphase und der flüssigen Phase einschließen. Durch die Herstellung von amorphem Eis bzw. glasartigem Wasser bei höheren Temperaturen kann erwartet werden, daß ein Glasobergang bereits; ohne aufwendige thermische Vorbehandlung der Proben auftritt, was für grundlegende thermodnamische Überlegungen von Bedeutung ist. In Zusammenarbeit mit Prof. Andrzej Plonka aus Lodz, Polen, sollen ESR-Untersuchungen an den verschiedenen gamma-bestrahlten kubischen Eisproben durchgefohrt werden, da sich in bisherigen Untersuchungen gezeigt hat, daß sich die Art der gebildeten Radikale sowie ihr Abbau beim Erwärmen, je nach Herstellung der kubischen Eisprobe, deutlich unterscheiden. Durch these Untersuchungen hoffen wir, den Mechanismus der Radikalbildung und ihres Abbaus aufklären zu können.