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Eisiges Geheimnis

Welche immense Bedeutung Eis für unseren Planeten hat, weiß nahezu jeder. Doch wie viele scheinbar gewöhnliche Dinge ist Eis ein eher rätselhaftes Phänomen.

Wasser ist die merkwürdigste Sache der Welt. Geahnt hat das zuerst einer der ganz Großen des menschlichen Geistes: Aristoteles erhob die scheinbar so gewöhnliche Substanz zum zentralen Element der Naturwissenschaft. Heute, mehr als zweitausend Jahre später, können Forscher gar nicht anders, als dem griechischen Universalgelehrten beizupflichten: Die Eigenschaften des Wassers erklären - das zählt für Physiker wie Chemiker zu den anspruchsvollsten Aufgaben ihrer Disziplinen. Und das Spannende ist: Die Aufgabe gilt noch immer als ungelöst.

Vernetzte Moleküle
Schuld daran ist weitgehend der feste, kristalline Zustand des Wassers: das Eis. Dass Wasser sich ausdehnt beim Übergehen zum festen Aggregatzustand, ungefähr ab 4 Grad plus, verblüffte bereits vor Jahrhunderten kluge Köpfe. Erst die moderne Theorie der Elementarteilchen deutet das Phänomen. Doch: H2O, zwei Wasserstoffatome, ein Sauerstoffatom - wenn es denn so einfach wäre! Tatsächlich seien die Moleküle des Wassers vielfach untereinander vernetzt, und gehorchten den Regeln einer höchst merkwürdigen "Soziologie", fanden Wissenschaftler heraus.

Brücken zwischen Atomen
Grund ist der Dipol-Charakter jedes Moleküls: Sauerstoffatom und beide Wasserstoffatome besitzen je ein gemeinsames Elektronenpaar. Letzteres wird stärker zum größeren Sauerstoffkern hingezogen, dort entsteht eine negative Ladung. An den Wasserstoff-Enden des Moleküls ist die Ladung entsprechend positiv. Folglich gehen Wassermoleküle, kommen sie sich näher, elektrostatische Bindungen ein: Der Minuspol eines Dipols zieht den Pluspol eines benachbarten Dipols an. Wasserstoffbrücken sagen Forscher dazu. Rasch wachsen auf diese Weise dreidimensionale Gebilde heran: fluktuierend, schnell das Bindungsgefüge wechselnd im flüssigen Wasser, erstarrt zu kristallinen Strukturen im Eis. Und weil die stabile Kristallstruktur mehr Platz brauche als der fluktuierende, fließende Zustand, fülle Eis eben ein größeres Volumen aus, befindet jedenfalls die klassische Theorie. Punkt und Schluss?

Kubische Schneeflocken
Falls das wirklich alles wäre, hätte Aristoteles mit seiner Ahnung schier unendlicher Kompliziertheit wohl unrecht gehabt. Allein, er hatte Recht! Denn Eis ist nicht gleich Eis. Wissenschaftler kennen neben dem natürlichen Eis, wie es an Wintertagen in Kristallen vom Himmel schwebt, zwölf weitere kristalline Formen. Solche "unnatürlichen" Formen lassen sich im Labor erzeugen, sobald man den Druck gravierend ändert: Bei 100.000 bar zum Beispiel ist Wasser sogar bei 500 Grad Hitze noch gefroren. Schneeflocken wären unter solchen Bedingungen nicht sechseckig, sondern kubisch; Eisschollen, die aus diesem Eis bestehen, würden nicht auf dem Wasser schwimmen, sondern untergehen.

Kann, muss aber nicht!
Eis kann also, muss aber keineswegs weniger dicht sein als Wasser! Dass es sich hier nicht bloß um Laborspielereien handelt, das haben Messungen der Raumsonde Galileo bewiesen: Auf dem Jupitermond Ganymed etwa gibt es mindestens sechs verschiedene Sorten Eis.

Noch seltsamer ist eine andere, nicht kristalline Gestalt, die festes Wasser annehmen kann: von streng geordneter Kristallstruktur, von "eingefrorenen" Wasserstoffbrücken, wie beim Eis, keine Spur, dennoch ist das Wasser hart und spröde. Wasserglas heißt die unter Physikern viel diskutierte Erscheinung. Es hat, mit seinen wenig stabilen Wasserstoffbrücken, alle Merkmale einer Flüssigkeit, gleicht jedoch einer Keramik. Kanadische Forscher fanden die erstaunliche Sorte 1985. Nötig war nur Druck auf einen Eisklotz bei minus 200 Grad...