Bauletter, BAULINKS.de-Meldungen, vom 7.12.2016

Wasser zum Zerreißen gespannt

Wasser kann über lange Zeit einer beachtlichen Zugbelastung standhalten. Dies ist eine Voraussetzung für wichtige biologische Prozesse wie etwa den Wassertransport in Bäumen. Experimente über die Stabilität von Wasser unter Zugbelastung kamen bis dato jedoch zu stark unterschiedlichen Resultaten. Physikern um Christoph Dellago von der Universität Wien entwickelten mit Hilfe von Computersimulationen ein mikroskopi­sches Modell, das die Stabilität von Wasser abhängig von der angelegten mechani­schen Spannung quantitativ vorhersagt. Dabei zeigte sich, dass die Zugstabilität von Wasser höher ist als bisher angenommen. Die aktuelle Studie erscheint im Fachmaga­zin „PNAS“.

Ein Nebeneffekt der Photosynthese von Pflanzen ist die Verdunstung von Wasser über die Blätter. Um den dadurch entstehenden Flüssigkeitsverlust auszugleichen, wird Was­ser durch Unterdruck über dünne Kanäle vom Boden nach oben gezogen. Wasser kann unter solcher Zugbelastung, also unter negativem Druck, über lange Zeiten stabil blei­ben, da die Anziehung zwischen den Molekülen, den kleinsten „Bausteinen“ der Flüs­sigkeit, dem Zug entgegenwirkt. Jedoch ist diese Stabilität unter Spannung immer zeitlich beschränkt: Nach einiger Zeit „unter Zug“ geht Wasser von der flüssigen Phase in Dampf über. Im Zuge dieses Übergangs bilden sich mikroskopische Dampfblasen, welche so lange wachsen, bis die Flüssigkeit letztendlich unter der angelegten Span­nung „reißt“.

Experimente liefern widersprüchliche Resultate

Sowohl die Stabilität von Wasser unter Zugbelastung als auch der Prozess der Blasen­bildung selbst, die sogenannte Kavitation, sind von entscheidender Bedeutung für biologische Systeme und technische Anwendungen. Beispielsweise nützen Farne den abrupten Spannungsabfall durch Kavitation, um ihre Sporen wie ein Katapult wegzu­schleudern. Kollabierende Dampfblasen können zum Beispiel an Schiffsschrauben oder Turbinenschaufeln zu Materialschäden führen.

Aufgrund dieser praktischen Relevanz wird die Zugstabilität von Wasser seit über 300 Jahren experimentell untersucht. Unterschiedliche Messmethoden liefern jedoch stark voneinander abweichende Resultate für die Zugstabilität von Wasser - ein starkes Indiz für unbekannte Effekte bei der Messung, meint Christoph Dellago: „Da der Kavitations­prozess explosionsartig schnell abläuft und die entscheidenden Aspekte der Blasenbil­dung stattfinden, solange die Blasen sehr klein sind, ist eine Methode nötig, um Bla­senbil­dung in Wasser mit molekularer Auflösung zu analysieren“.

Computersimulationen ermöglichen Analyse auf molekularer Ebene

Dieser Blick auf molekularer Ebene gelang einer internationalen Forschungskollaborati­on um Christoph Dellago an der Fakultät für Physik der Universität Wien mit Hilfe von Computersimulationen. Diese aufwändigen Simulationen, die von Georg Menzl und Philipp Geiger am Hochleistungsrechner Vienna Scientific Cluster (VSC) durchgeführt wurden, erlauben eine Analyse der Blasenbildung mit enorm hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. "In der Computersimulation können wir viele mögliche Fehlerquel­len ausschließen, die potenziell zu Abweichungen in den experimentellen Resultaten führen", erklären die Wissenschafter.

Mithilfe dieser Simulationen entwickelten die Physiker der Universität Wien zusammen mit Forschern aus Madrid und Lyon eine mikroskopische Theorie, die das Auftreten von Kavitation in Wasser abhängig von der angelegten Spannung quantitativ vorhersagt und zeigt, dass Wasser unter Zug stabiler ist als von vielen Experimenten vorherge­sagt. "Eine Erkenntnis, die erst durch Computersimulationen möglich wurde, in denen selbst winzigste Blasen genau beobachtet werden konnten", so Christoph Dellago.

Publikation in „PNAS“: Georg Menzl, Miguel A. Gonzalez, Philipp Geiger, Frédéric Cau­pin, Jose L. F. Abascal, Chantal Valeriani, Christoph Dellago: Molecular mechanism for cavitation in water under tension, in PNAS 2016 (erschien online am 2.11.2016): DOI 10.1073/pnas.1608421113

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