Wie supergekühltes Wasser funktioniert – und warum es zwei flüssige Phasen hat

Die seltsamste Flüssigkeit der Erde

Wasser ist so vertraut, dass seine Eigenartigkeiten kaum auffallen. Im Gegensatz zu fast jeder anderen Flüssigkeit dehnt sich Wasser beim Gefrieren aus. Seine höchste Dichte erreicht es nicht am Gefrierpunkt, sondern bei etwa 4 °C. Seine Oberflächenspannung, sein Siedepunkt und seine Wärmekapazität sind alle ungewöhnlich hoch. Insgesamt haben Wissenschaftler mehr als 60 anomale Eigenschaften katalogisiert, die Wasser von den Flüssigkeiten unterscheiden, die in Physiklehrbüchern beschrieben werden.

Seit Jahrzehnten vermuten Theoretiker, dass diese Besonderheiten auf ein verborgenes Merkmal zurückzuführen sind: einen zweiten kritischen Punkt, der tief im supergekühlten Zustand des Wassers lauert – einem Bereich, in dem Wasser weit unter 0 °C flüssig bleibt. Die Bestätigung dieses Punktes war eine der großen Aufgaben der physikalischen Chemie.

Was ist supergekühltes Wasser?

Superkühlung tritt auf, wenn eine Flüssigkeit unter ihre normale Gefriertemperatur fällt, ohne zu einem Feststoff zu kristallisieren. Reines Wasser kann unter den richtigen Bedingungen auf etwa −40 °C supergekühlt werden – keine Eisbildungskeime, keine Vibrationen. In diesem fragilen Zustand bleiben die Moleküle in ständiger flüssiger Bewegung, aber sie wollen unbedingt in ein geordnetes Kristallgitter einrasten. Das Beobachtungsfenster ist verschwindend kurz, weshalb die Untersuchung von supergekühltem Wasser so schwierig ist.

Zwei Flüssigkeiten in einem Glas

In den 1990er Jahren schlugen die Physiker Peter Poole und Eugene Stanley eine radikale Idee vor, die auf Computersimulationen basierte: Bei sehr niedrigen Temperaturen kann sich flüssiges Wasser tatsächlich in zwei verschiedene flüssige Phasen aufspalten. Die eine ist eine Flüssigkeit hoher Dichte (HDL), in der die Moleküle dicht gepackt sind. Die andere ist eine Flüssigkeit niedriger Dichte (LDL), in der Wasserstoffbrücken die Moleküle in eine offenere, eisähnliche Anordnung drängen.

Diese Theorie des „Flüssig-Flüssig-Übergangs“ sagt voraus, dass die beiden Phasen an einem einzigen Punkt verschmelzen – einem zweiten kritischen Punkt –, der durch eine bestimmte Temperatur und einen bestimmten Druck definiert ist. Oberhalb dieses Punktes existiert nur eine Art von flüssigem Wasser; unterhalb konkurrieren zwei.

Warum Wasserstoffbrückenbindungen der Schlüssel sind

Die Ursache liegt in der Wasserstoffbrückenbindung des Wassers. Jedes Wassermolekül kann bis zu vier Wasserstoffbrückenbindungen mit seinen Nachbarn eingehen und so ein tetraedrisches Netzwerk bilden. Bei warmen Temperaturen bricht und erneuert die thermische Energie diese Bindungen ständig und hält das Wasser kompakt. Wenn die Temperatur sinkt, halten die Bindungen länger und ziehen die Moleküle in eine offene, käfigartige Geometrie – dieselbe Geometrie, die Eis weniger dicht als flüssiges Wasser macht und es schwimmen lässt.

Das Tauziehen zwischen kompakter Packung und offenen Wasserstoffbrückennetzwerken erzeugt das Dichtemaximum bei 4 °C und, bei extremer Superkühlung, die Trennung in zwei flüssige Phasen.

Wie Wissenschaftler es endlich bewiesen haben

Das Hindernis war die Geschwindigkeit: Supergekühltes Wasser kristallisiert in Mikrosekunden. Ein Team unter der Leitung von Anders Nilsson an der Universität Stockholm überwand dies, indem es ultraschnelle Röntgenlaserpulse in einer Anlage in Südkorea einsetzte. Sie begannen mit amorphem Eis – einer nicht-kristallinen Form von gefrorenem Wasser – und schmolzen es mit einem Laser, dann feuerten sie Röntgen-Schnappschüsse ab, bevor es wieder gefrieren konnte.

Indem sie verfolgten, wie sich die Dichte und Struktur der Probe mit sinkendem Druck veränderten, beobachteten die Forscher, wie der Flüssig-Flüssig-Übergang verschwand und ein neuer kritischer Zustand entstand. Der zweite kritische Punkt trat bei etwa 210 Kelvin (−63 °C) und etwa 1.000 Atmosphären Druck auf. Die Ergebnisse wurden im März 2026 in Science veröffentlicht.

Warum es über das Labor hinaus von Bedeutung ist

Die Bestätigung des zweiten kritischen Punktes leistet mehr als nur eine theoretische Debatte zu beenden. Sie liefert eine einheitliche Erklärung für die vielen Anomalien des Wassers – das Dichtemaximum, die ungewöhnlich hohe Wärmekapazität, die Ausdehnung beim Gefrieren –, die für das Leben auf der Erde unerlässlich sind. Eis, das auf Seen schwimmt, isoliert aquatische Ökosysteme im Winter. Die hohe Wärmekapazität des Wassers stabilisiert das Klima. Seine anomale Ausdehnung treibt Meeresströmungen an.

Die Erkenntnis hat auch praktische Auswirkungen. Supergekühltes Wasser kommt in hochgelegenen Wolken vor, wo es Niederschlag und Klimamodelle beeinflusst. Es spielt eine Rolle bei der Kryokonservierung von biologischem Gewebe. Das Verständnis, wie genau Wasser zwischen seinen beiden flüssigen Zuständen wechselt, könnte alles verbessern, von der Wettervorhersage über die Lebensmittelwissenschaft bis hin zur pharmazeutischen Lagerung.

Ein fortwährendes Rätsel

Selbst mit der Bestätigung des kritischen Punktes birgt Wasser noch Geheimnisse. Forscher diskutieren immer noch über die genauen Grenzen des zweiphasigen Bereichs und darüber, wie sich der kritische Punkt mit verschiedenen gelösten Stoffen verschiebt. Wie Nilsson gegenüber Interesting Engineering sagte, besteht der nächste Schritt darin, das vollständige Phasendiagramm von supergekühltem Wasser zu erstellen – eine Aufgabe, die die Röntgenlaseranlagen jahrelang beschäftigen wird. Die häufigste Substanz auf der Erde ist, wie sich herausstellt, immer noch eine der am wenigsten verstandenen.