11.11.2019 - Georg-August-Universität Göttingen

Göttinger Chemiker weisen kleinstmögliche Eiskristalle nach

Temperaturabhängig gefriert Wasser zu Eis und umgekehrt. Dieser Vorgang, in der Wissenschaft als Phasenübergang bezeichnet, ist im Alltag gut bekannt. Um aber ein stabiles Gitter für Eiskristalle zu erreichen, ist eine Mindestanzahl an Molekülen nötig, ansonsten ist das Konstrukt instabil. Bisher konnte dieser Wert nur grob geschätzt werden. Einem deutsch-amerikanischen Forschungsteam unter Leitung des Chemikers Prof. Dr. Thomas Zeuch vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen ist es nun gelungen, die Größe kleinstmöglicher Eiskristalle genau zu bestimmen.

Knapp 100 Wassermoleküle sind nötig, um einen Eiskristall in seiner kleinstmöglichen Ausprägung zu formen. Nachweisen konnten die Wissenschaftler zudem, dass sich in diesen Größenordnungen typischerweise Mischungen aus flüssig-amorphen und kristallinen Clustern bilden. Sie oszillieren in Simulationsrechnungen jeder für sich zwischen den beiden Zuständen hin und her – schwingen also quasi zwischen fest und flüssig. „Die Koexistenz der Aggregatszustände flüssig und fest durch Oszillationen einzelner Partikel ist ein seit den 1980er Jahren theoretisch vorhergesagtes Phänomen der Nanowelt, das aber sehr schwer experimentell nachzuweisen ist“, erläutert Zeuch. „Und es widerspricht der Alltagserfahrung, wonach ein Eiswürfel im Whiskyglas schwimmt und schmilzt.“

Die aktuelle Studie legt nahe, dass solche Oszillationen kleinster Wasserkristalle sogar in Hohlräumen von Proteinen auftreten können. Dies wiederum ist relevant für biologische Prozesse. Denkbar wären beispielsweise kleinste Schleusen in Proteinen, die gezielt durch kleine Veränderungen der chemischen Umgebung sich öffnen und schließen. Solche molekularen Zustandsänderungen im Größenbereich weniger Nanometer sind z.B. in Zellen experimentell derzeit noch sehr schwer nachzuweisen. Zeuch und sein Team haben für die aktuelle Studie Kristalle isoliert in einem Molekularstrahl untersucht. Die neuen Ergebnisse wurden erst durch Vorarbeiten der Forschergruppe von Koautor Prof. Dr. Udo Buck am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation möglich. Dadurch konnten die Wassertröpfchen genau in dem Temperatur- und Größenbereich im Experiment präpariert werden, in dem sie anfangen, Kristallstrukturen zu bilden.

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