Überraschung: Auf Kupferflächen gefriert Wasser zu fünfeckigen Eiskristallen - Neue Symmetrie hat Bedeutung für Wolkenbildung und neue Materialien

Computergrafik der fünfeckigen Eiskristalle

Berlin/London (Großbritannien) - Ein Blick auf jede Schneeflocke belegt, dass Wasser immer zu sechseckigen Kristallen gefriert. Eine Ausnahme von dieser Regel fanden jetzt britische und deutsche Physiker. Sie schufen erstmals Eiskristalle, die sich zu Pentagonen, also Fünfecken, anordnen konnten. Dieses überraschende Ergebnis, das die Forscher in der Fachzeitschrift "Nature Materials" präsentieren, könnte nun zu neuen Wegen in der Materialforschung führen und auch für die künstliche Erzeugung von Regen von Bedeutung sein.

"Diese Entdeckung führt zu einem fundamental neuen Verständnis von Wasserstoffbrückenbindungen", sagt Angelos Michaelides vom Fritz-Haber-Institut in Berlin. Zusammen mit Kollegen vom University College London und der University of Liverpool konzipierte er das Experiment, um die seltenen Fünfeck-Kristalle herzustellen. Die Wissenschaftler sprühten Wassertropfen auf eine hochreine Oberfläche aus Kupfer. Bei Temperaturen von unter minus 100 Grad Celsius verknüpften sich jeweils fünf Wassermoleküle zu stabilen Ringstrukturen. Unter dem Mikroskop konnten sie eine nur einen Nanometer breite, gezackte Kette aus diesen Fünferringen beobachten.

Die Ursache für diese bisher unbekannte Struktur für Wassereis sehen die Physiker in der Oberflächenstruktur des Kupfers. Bevorzugen freie Wassermoleküle ein Gefrieren in die symmetrischen sechseckigen Kristalle, wird auf der Metallfläche die Anordnung in Pentagone energetisch bevorzugt. So können die Wassermoleküle in einem engeren Kontakt zu den Kupferatomen treten.

"Es ist wichtig, Eisstrukturen auf der Nanoskala zu verstehen", sagt Koautor Javier Carrasco. Das könne zu neuen Erkenntnissen für die Eisbildung an Grenzflächen führen. Gerade in der oberen Atmosphäre bei der Wolkenbildung spielen solche Prozesse eine bedeutende Rolle. Es sei nach Meinung der Forscher nicht auszuschließen, dass die neuen Eiskristalle zu effektiveren Verfahren zur Erzeugung von künstlichem Regen und zu Materialien mit neuen physikalischen Eigenschaften führen könnten.