Eiskristalle unter Kontrolle

Veröffentlichung in Nature Communications

18.05.2015 – Was passiert eigentlich, wenn sich Eiskristalle bilden? Auch wenn dieses Phänomen alltäglich scheint und eine große Bedeutung für verschiedene Anwendungen hat, sind doch diese Vorgänge auf molekularer Ebene weitgehend unverstanden. Physiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf haben sich dieses Themas angenommen und veröffentlichen ihre Ergebnisse nun in der Zeitschrift Nature Communications.

Eis am Stiel ist erfrischend und Eisblumen an Fensterscheiben sind ästhetisch. Dieselben Eiskristalle ärgern aber den Autofahrer, der bei Minusgraden zum Eiskratzer greifen muss. Bei Flugzeugen ist es nicht anders, Eis auf Tragflächen beeinträchtigt die Flugfähigkeit. Darum müssen vereiste Tragflächen aufwendig und teuer enteist werden.

Physikalisch bedeutet dies: Wenn es kalt wird, gefriert eine Flüssigkeit zu einem Kristall. Dies passiert besonders häufig an Grenzflächen, die die Rolle von Kristallkeimen spielen. Wie diese sogenannte heterogene Kristallisation an der Grenzfläche auf der Ebene der einzelnen Moleküle genau erfolgt, ist alles andere als klar und Gegenstand aktueller Forschung.

Theoretische und Experimentalphysiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf haben gemeinsam ein solches Kristallisationsereignis an einem Keim nachgestellt. Sie haben dazu die Bewegung von mikrometergroßen Plastikkügelchen als Modell für einzelne Kolloidteilchen unter einem modernen konfokalen Mikroskop beobachteten. Prof. Dr. Stefan Egelhaaf vom Institut für Experimentelle Physik der kondensierten Materie erläutert: „Wir spüren jedes einzelne Teilchen und damit den ganzen Kristall auf und verfolgen ihn mit hoher Präzision.“

In der Tat bildet sich an einem Keim ein Kriställchen aus, welches dann weiter wächst. Was dann aber passiert, ist verblüffend: Der Kristall löst sich nach diesem Start vom Keim, entspannt sich durch Umordnung, um danach wieder unverspannt zum Keim zurückzukehren. Die Wissenschaftler können dieses Experiment theoretisch und mit Hilfe eines Modells komplett erklären. Damit zeigen sie auch, dass dieses neue Phänomen überall vorkommt, auch bei Eis am Flugzeugflügel und bei Speiseeis am Stiel. „So gut wie immer passt die Grenzfläche nicht haargenau mit der Gittersymmetrie eines unverspannten Kristalls zusammen, sodass sich unser Szenario zwangsläufig ergibt“, erklärt Prof. Dr. Hartmut Löwen vom Institut für Theoretische Physik II.

Die Wissenschaftler erhoffen sich aus diesen Ergebnissen, die Kristallkeimung an Grenzflächen langfristig besser steuern und kontrollieren zu können.

Originalpublikation

E. Allahyarov, K. Sandomirski, S. U. Egelhaaf, H. Löwen, Crystallization seeds favour crystallization only during initial growth, Nature Communications 6:7110

Online: DOI: 10.1038/ncomms8110

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