Warum schwimmt Eis auf Wasser?

Wasser besitzt eine Vielzahl ungewöhnlicher Eigenschaften, die es von anderen Substanzen unterscheidet: So dehnt es sich beim Abkühlen unter 4 °C aus und ist in seiner festen Form weniger dicht als in seiner flüssigen. Diese Effekte sorgen dafür, dass Eis auf der Wasseroberfläche schwimmt und Gewässer im Winter nicht vollständig gefrieren. Physiker um Christoph Dellago von der Universität Wien und Forscher von der Ruhr-Universität Bochum konnten nun den molekularen Ursprung der Dichte-Anomalie von Wasser identifizieren und zeigen, dass die relativ schwachen Van-der-Waals-Kräfte einen entscheidenden Beitrag liefern. Dafür entwickelten die Forscher eine neuartige Rechenmethode und führten aufwändige Simulationen durch, die der Vienna Scientific Cluster (VSC) ermöglichte. Die aktuelle Studie dazu erscheint im renommierten Fachmagazin PNAS.

Wasser ist die wohl wichtigste Substanz auf unserer Erde: Es bestimmt unser Klima, formt Landschaften und ermöglicht Leben. Eine der vielzähligen Wasser-Anomalien besteht darin, dass die Dichte von Wasser ein Maximum aufweist. Bei den meisten Stoffen nimmt die Dichte zu, wenn man die Temperatur senkt. Kühlt man jedoch Wasser ab, zieht es sich erst zusammen, um sich dann bei Temperaturen unterhalb von 4 °C wieder auszudehnen.

Das bemerkenswerte Verhalten von Wasser beruht auf seiner Fähigkeit, Wasserstoff-brückenbindungen auszubilden. Dies sind Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen, die das dreidimensionale Wassernetzwerk zusammen¬halten. Der im Vergleich mit anderen Flüssigkeiten hohe Schmelz- und Siedepunkt von Wasser lässt sich beispielsweise darauf zurückführen, dass bei Wasser mehr Energie benötigt wird, die Wasserstoffbrücken aufzubrechen. Die molekularen Mechanismen, die den Wasser-Anomalien zugrunde liegen, lassen sich jedoch in Laborexperimenten nur indirekt beobachten.

Verständnis durch Simulationen
Genaue Einblicke in die Eigenschaften von Wasser können WissenschafterInnen durch Computersimulationen gewinnen, mit deren Hilfen sich die Bewegungen einzelner Moleküle wie durch eine virtuelle Lupe beobachten lassen. Einer Gruppe von Forschern unter der Leitung von Jörg Behler vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie der Ruhr-Universität Bochum und Christoph Dellago von der Fakultät für Physik der Universität Wien ist es nun gelungen, jenen Prozess im Detail nachzuvollziehen, der zur Ausbildung des Dichtemaximums führt. "Es stellte sich heraus, dass Van-der-Waals-Kräfte eine entscheidende Bedeutung haben: Diese schwachen Wechselwirkungen, die es beispielsweise Geckos ermöglichen, an glatten Oberflächen zu haften, beeinflussen das Wasserstoffbrücken-Netzwerk und sind für den Dichte¬unterschied zwischen Eis und flüssigem Wasser verantwortlich. Dieser Dichteunterschied wiederum sorgt dafür, dass Eis auf der Wasseroberfläche schwimmt", erklärt Christoph Dellago.

Beschleunigung durch neuronale Netze und Hochleistungsrechner
Ermöglicht wurden diese Erkenntnisse durch eine effiziente Simulationsmethode, die von Tobias Morawietz, zurzeit Postdoktorand in der Gruppe von Christoph Dellago, im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Ruhr-Universität Bochum auf Wasser angewendet wurde. Diese Methode basiert auf künstlichen neuronalen Netzen: Flexible Algorithmen – inspiriert vom Signaltransfer im Gehirn –, die eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten haben. Die Wissenschafter "trainierten" die neuronalen Netze mit Ergebnissen von genauen quantenmechanischen Rechnungen und konnten so die Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen mit erheblich reduziertem Rechenaufwand modellieren.

Trotz der effizienten Rechenmethode waren aufwändige Simulationen am Hochleistungs¬rechner Vienna Scientific Cluster (VSC) nötig, um die erzielten Ergebnisse zu erhalten. Andreas Singraber, Doktorand an der Universität Wien, konnte durch eine effiziente Paralllelisierung der neuronalen Netz-Methode die Simulationen nochmals deutlich beschleunigen. "Das neue Verfahren ist ebenso präzise wie quantenmechanische Berechnungen, aber 100.000-mal schneller", schließt Christoph Dellago.

Publikation in "PNAS":
Tobias Morawietz, Andreas Singraber, Christoph Dellago, Jörg Behler: How van der Waals interactions determine the unique properties of water, in: PNAS, 2016
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1602375113