Eine im Journal Physical Review Letters veröffentlichte Studie unter der Leitung des Wissenschaftlers Giancarlo Franzese von der Universidad de Barcelona kommt zu dem Ergebnis, dass hydrophobe Einschränkungen die Thermodynamik von Wasser bei sehr kalten Temperaturen verändern können. Diese Ergebnisse könnten wichtige Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen nach sich ziehen, die mit der Konservierung bei cryogenen Temperaturen (um – 100 Grad Celsius) zu tun haben, beispielsweise die Aufbewahrung von Stammzellen, Blut und Nahrungsmitteln. Das Team hinter der von Giancarlo Franzese vom Department of Fundamental Physics der Universidad de Barcelona geleiteten Studie schloss auch Forscher der Boston University und der TU Berlin mit ein.
Wasser zeigt ein atypisches Flüssigkeitsverhalten. Eine dieser einzigartigen Eigenschaften ist ein Anstieg der Wärmekapazität, wenn Wasser abkühlt – eine Anomalie, die es uns ermöglicht, unsere Körpertemperatur zu regulieren. Wenn Wasser unterkühlt wird – das bedeutet, wenn es bei einer Temperatur unter seinem Schmelzpunkt im flüssigen Aggregatzustand ist – bilden sich weitere Anomalien aus. Dieses irreguläre Verhalten hat in den vergangenen 20 Jahren heftige wissenschaftliche Debatten ausgelöst und könnte den Schlüssel zum Verständnis enthalten, warum Wasser im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten so anders ist und warum es so wichtig für biologische Organismen ist.
Aus einer technischen Perspektive ist es schwierig, unterkühltes Wasser direkt zu beobachten und viele Wissenschaftler entscheiden sich für die Verwendung von Nano-Confinements. (Anm. d. Red.: Es gibt keinen deutschen Fachbegriff dafür. Er beschreibt den räumlichen Einschluss der beobachteten Substanzen/Objekte, in diesem Fall im Nano-Bereich.) In dieser Studie benutzte das Team Monte-Carlo-Simulationen, um eine nur einen Nanometer dicke Wasserschicht zu studieren, die zwischen zwei hydrophoben Platten eingeschlossen war (ein Nanometer entspricht ungefähr dem Durchmesser von drei Wassermolekülen). Dann wurden der Wasserschicht hydrophobe Nanopartikel an zufällig ausgewählten Positionen hinzugefügt, um Nanokanäle oder variable Größen zu erzeugen.
Dieser Prozess führte zu einem starken Abfall der thermodynamischen Fluktuationen, was sich in der Kompressibilität, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und der spezifischen Wärmekapazität äußerte. Der beobachtete Abfall trat unter allen getesteten Druckverhältnissen auf und bei Druckverhältnissen im Bereich von 180 Mpa und einer Nanopartikel-Konzentration von 25 Volumenprozent fielen die Fluktuationen um fast 99 Prozent ab. Sogar bei einer zehnfach geringeren Partikelkonzentration betrug die Reduktion noch 90 Prozent.
Giancarlo Franzese zufolge zeigen die Ergebnisse, dass das thermodynamische Verhalten von Wasser, welches durch hydrophobe Nanokanäle eingeschränkt ist, sich stark von nicht eingeschränktem Wasser unterscheidet. Sie erlauben sogar die mögliche Präsenz von mehr als einer flüssigen Phase im Bereich der getesteten Temperaturen und Druckverhältnisse.
Quelle: http://www.ub.edu/web/ub/en/menu_eines/noticies/2011/05/042.html
(THK)
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