Kleinster Eiskristall der Welt

Göttingen - Schneeflocken faszinieren mit einer enormen Vielfalt filigraner Kristallstrukturen. Göttinger Physiker konnten nun erstmals ermitteln, wie viele Wassermoleküle mindestens nötig sind, damit sich überhaupt ein Eiskristall bilden kann. Über die Analyse von Infrarot-Spekten an winzigen Wassertröpfchen erkannten sie, dass ab etwa 275 Molekülen eine geordnete kristalline Struktur entstehen kann. Dieses in der Zeitschrift „Science“ veröffentlichte Ergebnis ist ein wesentlicher Schritt, um den Übergang von Atomen zum Festkörper und die Physik der Phasenwechsel genau bestimmen zu können.

„Eine Ansammlung von 225 Molekülen sieht noch aus wie ein Wassertröpfchen“, sagt Thomas Zeuch vom Institut für Physikalische Chemie an der Universität Göttingen. Doch ab etwa 275 Wassermolekülen bilden sich dann bei ausreichender Kühlung die ersten Eiskristalle. Für diese Messungen bliesen die Forscher zusammen mit Kollegen vom Göttinger Max-Planck- Institut für Dynamik und Selbstorganisation Wassermoleküle durch eine kleine Düse. Dabei kühlten diese rasch ab und lagerten sich zu sogenannten Clustern zusammen.

Nach Größe sortiert schickten Zeuch und Kollegen daraufhin einen Infrarot-Laserpuls auf diese Wassercluster, die sie zuvor mit einzelnen Natriumatomen als Messsonden dotierten. Die so gemessenen Infrarotspektren offenbarten, dass kleine Wassercluster bis zu einer Größe von etwa 225 Molekülen noch eher ungeordnet aufgebaut waren. Doch schon etwas größere Molekülhaufen zeigten eindeutige Hinweise auf einen geordneten, kristallinen Aufbau.

„Auch für viele weitere Substanzen liegt der Übergang zum Festkörper wahrscheinlich in dieser Größenordnung“, sagt Zeuch. Weitere Messungen beispielsweise an Alkoholen könnten in Zukunft diese Vermutung untermauern. Von großem Interesse ist der Übergang von Atomhaufen zum kristallinen Festkörper bei Metallen, da dann auch metalltypische Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit überhaupt erst auftreten können. Auch die dynamischen Prozesse, die beim Phasenwechsel zwischen flüssig und fest dominieren, könnten an solchen Clustern genauer untersucht werden.