Eisbildung auf Oberflächen ist ein Sicherheitsrisiko bei Schienenfahrzeugen, Flugzeugen oder auch Windenergieanlagen. Forscher weltweit beschäftigen sich damit, wie Vereisung minimiert werden kann. Experimentalphysiker der Technischen Universität (TU) Graz haben mit internationalen Kollegen erstmals den Vorgang der Eisentstehung auf molekularer Ebene beobachtet. Ihre Erkenntnisse präsentierten sie im Forschungsmagazin "Nature Communications".

Bei Temperaturen unter Null Grad Celsius gefriert Wasser zu Eis. Um wirksame Strategien gegen die Eisbildung zu finden, ist mehr Wissen über die grundlegenden Vorgänge während dieses Prozesses gefragt. Mit herkömmlichen Methoden ist der Vorgang zwischen den Wassermolekülen allerdings schwer zu beobachten: Die Bewegungen laufen im Bruchteil einer Milliardstel Sekunde ab, teilte die Technische Universität Graz am Donnerstag in einer Aussendung mit. Die internationale Forschergruppe der Universitäten Cambridge und Surrey, mit welcher der Grazer Experimentalphysiker Anton Tamtögl zusammenarbeitetet, wendet daher ultraschnelle optische Techniken an, um die Entstehung von Eis auf molekularer Ebene zu verfolgen.

Ein "Radar für Moleküle"

Die Forscher kombinierten im Labor theoretische Berechnungen mit einer neuen experimentellen Methode - der Helium-Spin-Echo-Spektroskopie (HeSE), die im Grunde wie ein Radar für Moleküle funktioniert: Vereinfacht gesprochen nutzt die Methode Heliumatome mit sehr niedriger Energie. Diese werden auf sich bewegende Wassermoleküle auf einer Graphen-Oberfläche - also einer einzelnen atomaren Lage von Kohlenstoff - gestreut. Danach wurde von einem Detektor registriert, wie viele davon, an welcher Stelle und mit welcher Energie am Detektor auftreffen. Dabei habe sich gezeigt, dass sich die Wasserstoffmoleküle auf der Graphen-Oberfläche bei gleicher Ausrichtung - nämlich senkrecht zur Oberfläche - abstoßen. Ähnlich wie zwei Magneten mit gleichnamigen Polen.

Bevor sich Eis bilden kann, müssen die Wassermoleküle demnach zuerst Energie gewinnen, um die Abstoßung zu überwinden. Bisher ging man davon aus, dass die Eisbildung ungehindert geschieht. "Unsere Ergebnisse führen zu einem völlig neuen Verständnis über die Eisbildung", hob Studienerstautor Tamtögl hervor.

Computergestützte Simulationen, mit denen die genaue Energie der Wassermoleküle in verschiedenen Konfigurationen abgebildet und die Wechselwirkung zwischen sich annähernden Molekülen bestimmt wurden, würden laut Tamtögl die experimentellen Ergebnisse untermauern. Der Grazer Forscher und sein Team gehen davon aus, dass der Abstoßungseffekt nicht nur auf der untersuchten Graphen-Oberfläche, sondern ebenso auf anderen Oberflächen auftritt. "Unsere Erkenntnisse ebnen den Weg für neue Strategien, mit denen die Eisbildung kontrolliert oder die Vereisung verhindert werden kann", zeigte sich der Grundlagenforscher überzeugt. Er denkt dabei etwa an Oberflächenbehandlungen gegen Vereisung speziell im Bereich der Windkraft, der Luftfahrt oder der Telekommunikation. (apa)