Erstmals quadratische Schneeflocken beobachtet

Keine Schneeflocke gleicht einer anderen, obwohl Wasser darin immer in einer hexagonalen, sechszähligen Struktur erstarrt. Mit einer überraschenden Entdeckung eröffnet sich nun noch mehr Formenvielfalt: Physiker um Gerardo Algara-Siller von der Universität Ulm schufen erstmals einen quadratischen, extrem flachen Eiskristall, der unter hohem Druck sogar bei Raumtemperatur entstand. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, könnten diese zweidimensionalen Schneeflocken sogar in der Natur existieren und bisher ungelöste Phänomene beim Wassertransport durch Membranen und Kapillaren erklären helfen.

Quadratische Schneeflocke

„Wir waren einfach neugierig, was passiert, wenn wir Wasser zwischen zwei Graphenschichten packen“, sagt Koautorin Ute Kaiser von der Universität Ulm, wo dieses Experiment durchgeführt wurde. Das Besondere an dem Versuchsaufbau: Die nur eine Atomlage dünnen Graphenschichten aus Kohlenstoff ziehen einander stark an, wenn sie sich nah genug kommen. Die dabei wirkenden Van-der-Waals-Kräfte reichen aus, um zwischen den Graphenschichten hohe Drücke von bis zu einem Gigapascal aufzubauen – auf einer Fläche von einem Quadratmeter würde dieser Wert durch die Gewichtskraft von hunderttausend Tonnen erzeugt. Algara-Siller und seine Kollegen füllten den weniger als einen milliardstel Meter schmalen Spalt zwischen den Schichten mit Wasser.

Der auf das Wasser wirkende Druck war hoch genug, um selbst bei Raumtemperatur festes Eis entstehen zu lassen. Beim Blick durch ein Mikroskop überraschte die Forscher die Form dieser winzigen Schneeflocke. Es bildete sich eine extrem flache und quadratische Struktur aus, die noch nie zuvor beobachtet werden konnte. Mit aufwendigen molekulardynamischen Berechnungen ließ sich bestätigen, dass unter den herrschenden Bedingungen tatsächlich zweidimensionale, quadratische Wasserkristalle möglich sind.

„Wasser ist wahrscheinlich die am besten untersuchte Substanz. Doch niemand konnte sich bisher quadratisches Eis vorstellen“, sagt der an diesen Arbeiten beteiligte Physiknobelpreisträger Andre Geim, der nur sechs Jahre vor seiner Auszeichnung im Jahr 2010 an der University of Manchester zusammen mit Konstantin Novoselov das Kohlenstoffmaterial Graphen entdeckt hatte. Er vermutet, dass die winzigen Quadratflocken eine Rolle für den ungewöhnlich schnellen Wassertransport in filigranen Kapillaren aus Graphen spielen könnten. Darüber hinaus existieren ähnlich kleine Poren und fein strukturierte Membranen auch in biologischen Organismen. Und so könnte diese Entdeckung auch zur Klärung von Transportphänomenen in Kapillaren beitragen.