Wissen: Der Beginn einer Schneeflocke

Schneeflocken faszinieren mit einer großen Vielfalt filigraner Kristallstrukturen. Göttinger Physiker konnten nun erstmals ermitteln, wie viele Wassermoleküle mindestens nötig sind, damit sich überhaupt ein Eiskristall bilden kann. Wie sie in „Science“ berichten, kann ab etwa 275 Molekülen eine geordnete kristalline Struktur entstehen. Das Resultat ist ein wichtiger Schritt, um den Übergang von Atomen zum Festkörper und die Physik der Phasenwechsel genau bestimmen zu können.

„Eine Ansammlung von 225 Molekülen sieht noch aus wie ein Wassertröpfchen“, sagt Thomas Zeuch von der Universität Göttingen. Doch ab etwa 275 Wassermolekülen bilden sich bei ausreichender Kühlung die ersten Eiskristalle. Für ihre Messungen bliesen die Forscher zusammen mit Kollegen vom Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation Wassermoleküle durch eine kleine Düse. Dabei kühlten diese rasch ab und lagerten sich zu sogenannten Clustern zusammen.

Nach Größe sortiert schickten Zeuch und Kollegen daraufhin einen Infrarot-Laserpuls auf diese Wassercluster, die sie zuvor mit einzelnen Natriumatomen markiert hatten. Die so gemessenen Infrarotspektren offenbarten, dass kleine Wassercluster bis zu einer Größe von etwa 225 Molekülen eher ungeordnet waren. Doch schon etwas größere Molekülhaufen zeigten eindeutige Hinweise auf einen geordneten, kristallinen Aufbau.

„Auch für viele weitere Substanzen liegt der Übergang zum Festkörper wahrscheinlich in dieser Größenordnung“, sagt Zeuch. Weitere Messungen beispielsweise an Alkoholen könnten diese Vermutung untermauern. Der Übergang von Atomhaufen zum kristallinen Festkörper ist vor allem bei Metallen interessant, da dann auch metalltypische Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit überhaupt erst auftreten können. wsa