Das gefrorene Paradox

- Eis, das bei Zimmertemperatur nicht sofort schmilzt - die Vorstellung klingt fantastisch. Jetzt hat ein Physiker- Team um Professor Alfred Laubereau von der Technischen Universität München (TUM) bewiesen, dass es möglich ist, auch bei plus 20 Grad Eiskristalle zu erhalten. Schlittschuhlaufen im Sommer wird jedoch auch in Zukunft nicht möglich sein: Der warme Zustand des Eises hält nur für Sekundenbruchteile an. Im dunklen Labor funkeln die winzigen Eiskristalle im Licht der Taschenlampe.

 Noch einmal überprüft Marcus Schmeißer den Probenbehälter, in dem das gefrorene Wasser zwischen zwei Glasplättchen eingeklemmt ist. Neben Schmeißer befindet sich ein Labyrinth aus Prismen, Linsen und Spiegeln, mit denen die Physiker vom Lehrstuhl für Experimentalphysik der TUM die Laserstrahlen bändigen, bevor sie das Licht auf die Mikrometer großen Eispartikel schießen.

Ultrakurze Lichtblitze erwärmen die Kristalle

In dem Experiment sind es nur ultrakurze Infrarot- Lichtblitze, die auf die Eisprobe treffen, aber sie rufen eine zuvor noch nie beobachtete Wirkung hervor: Sie erwärmen die Eiskristalle auf rund 20 Grad Celsius, ohne dass sie ihren festen Zustand verändern. Dieses Verhalten des gefrorenen Wassers dauert allerdings nicht an: Rund eine Milliardstelsekunde lang bleiben die Eiskristalle bei 20 Grad über dem Gefrierpunkt stabil, bevor sie zerfallen.

 "Das klingt für menschliche Verhältnisse ziemlich kurz, ist aber auf molekularer Ebene eine sehr lange Zeit", erläutert Hristo Iglev das Phänomen. "Wir hielten es erst selbst nicht für möglich, dass man gefrorenes Wasser über null Grad Celsius stabil halten kann. Wir konnten es erst glauben, als es dann später doch geschmolzen ist", sagt Marcus Schmeißer, der zusammen mit seinem Kollegen Andy Thaller, Hristo Iglev und Konstantin Simeonidis den Versuch durchgeführt hat. "Der Trick bei der Erhitzung der Eiskristalle erinnert an das Prinzip der Mikrowelle, bei dem Wassermoleküle zum Schwingen angeregt werden und sich dadurch erwärmen.

In unserem Fall haben wir das Eis mit Laserblitzen im Inneren erwärmt", erklärt Andy Thaller. "Anscheinend braucht es so höhere Temperaturen, um das Eis zu schmelzen." Wenn der Temperatur-Sprung noch höher ist, verflüssigt sich das Eis jedoch sehr schnell. Aus der geordneten Kristallstruktur entsteht ein Chaos. Um ein solches Experiment erfolgreich durchführen zu können, bedarf es einer ausgeklügelten Technik: Auf einem schweren Versuchstisch haben die Forscher ein Labyrinth aus optischen Geräten aufgebaut, durch das sie das Laserlicht lenken, bis es die richtige Wellenlänge und Frequenz hat, um auf der Eisprobe schließlich die gewünschte Erhitzung hervorzurufen.

"Besonders schwierig war es, die Temperatur in den Eiskristallen zu messen", sagt Iglev. Herkömmliche Thermometer haben da keine Chance. "Wie das Eis die Infrarotstrahlung des Lasers aufnimmt, ändert sich mit der Temperatur. Das können wir messen, indem wir einen weiteren, etwas verzögerten Lichtblitz auf die Probe schicken." Ihre Erkenntnisse haben die TUM-Physiker im britischen Fachjournal "Nature" veröffentlicht. "Was wir hier untersucht haben, ist reine Grundlagenforschung", erläutert Thaller die Ergebnisse.

"Uns ging es darum, die außergewöhnlichen Eigenschaften des Wassers besser zu verstehen", sagt Hristo Iglev. Wasser spielt in jedem Organismus eine wichtige Rolle. Es sorgt zum Beispiel für die Stabilität von Proteinen und der Erbsubstanz. Damit könnten die neuen Erkenntnisse in den Biowissenschaften bald große Bedeutung erlangen.

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