Simulationen zeigen, dass aus Flüssigkeiten in elektrischen Feldern auf Knopfdruck feste Kristalle wachsen können.

Phasenwechsel

Atlanta (USA) - Wassertropfen erstarren bei Kälte oder unter hohem Druck zu festen Kristallen. Nun fanden Physiker einen dritten Weg, um Flüssigkeiten zu verfestigen. In Computersimulationen erkannten sie, dass allein elektrische Felder ausreichen, um flüssiges Formamid selbst bei fast 30 Grad Celsius in Kristalle umzuwandeln. Das farb- und geruchlose Lösungsmittel wird sonst erst bei etwa zwei Grad Celsius fest, indem es gefriert. Über diesen "Schaltprozess" für einen Phasenwechsel berichten die Forscher in der Fachzeitschrift "Journal of Physical Chemistry C". Ihre Berechnungen könnten nun helfen, die Tropfenbildung in der Atmosphäre besser zu verstehen und neue nanomedizinische Methoden zu entwickeln.

"Dieses Verhalten könnte zu verschiedenen Anwendungen in biomedizinischen Bereichen, aber auch in der Umwelt- und Energieforschung führen", sagt Uzi Landmann vom Georgia Institute of Technology in Atlanta. Zusammen mit seinen Kollegen hatte er am Computer das Verhalten der Flüssigkeitsmoleküle simuliert. Diese zeigten, dass sich die Form der Tropfen mit stärker werdenden elektrischen Feldern verändern sollte. Ab einer Feldspannung von etwa 1,5 Volt pro Nanometer ordnen sich die polaren Moleküle der Flüssigkeit immer mehr, bis sie einen symmetrisch aufgebauten Kristallverbund bilden. Wird die Spannung wieder ausgeschaltet, löst sich der feste Kristall wieder auf und verflüssigt sich.

Die Idee für diese Simulationen gründet auf früheren Beobachtungen des britischen Forschers Sir Geoffrey Ingram Taylor. Schon 1964 berichtete er über ein seltsames Phänomen: Während eines Gewitters, bei dem starke Spannungen in der Atmosphäre vorherrschen, verformten sich runde Wassertropfen zu länglichen Gebilden. Genau dieses Verhalten zeigten nun auch die Formamid-Tropfen in der Simulation, bevor sie schließlich feste Kristalle bildeten.

"Ich glaube, dass diese theoretischen Vorhersagen einer solch extremen Formveränderung und Kristallisation durch elektrische Felder nun zu neuen Experimenten motiviert", sagt Landman. Nicht nur für das Lösungsmittel Formamid, auch für andere polare Substanzen wie beispielsweise Wasser wäre theoretisch ein elektrisches Schalten zwischen flüssig und fest vorstellbar. Bestätigt sich dieses "Gefrieren auf Knopfdruck" im Versuch, könnten neue Methoden zum Transport von Wirkstoffen in den Körper oder gar vielseitig anwendbare neue Materialien entwickelt werden.