Simulationen von hochdichten amorphen Eisformen unter Druck

Wasser weist gegenwärtig rund 70 verschiedene Anomalien auf. Einige dieser Anomalien werden in Bezug zu festen amorphen Formen von Wasser gesetzt. Diese Formen werden nach ihrer Dichte klassifiziert und mit niedrig dichtes (LDA), hochdichtes- (HDA) und sehr hochdichtes amorphes Eis (VHDA) bezeichnet Relevante Forschungsfragen richten sich auf die Beziehungen dieser drei Formen untereinander, sowie auf die Frage, nach der sogenannten Glastemperatur, jene Temperatur wo die amorphen Formen in eine Flüssigkeit umwandeln. Im Fokus dieses Projekts stehen dabei HDA und VHDA. In meiner Dissertation habe ich die Beziehung dieser Formen experimentell untersucht und festgestellt, dass es keine scharfe Grenze zwischen ihnen gibt. Außerdem zeigte sich, dass die Glastemperatur ein Maximum bei hohen Drücken aufweist. Letzteres stellt jedoch ein unerwartetes Ergebnis dar und bedarf daher weiterer Studien. Daher möchte ich dieser Frage mit Computersimulationen von Wasser nachspüren. Dies plane ich in Rom an der dortigen Universität La Sapienza bei Professor Francesco Sciortino zu vollziehen.

Wasser ist eine faszinierende Substanz, die eine Fülle von ungewöhnlichen Eigenschaften, sogenannte Anomalien, zeigt. Eine Hypothese, die dieses Verhalten zu erklären sucht, schlägt zwei verschiedene flüssige Zustände von Wasser weit unterhalb des Schmelzpunktes vor. Da diese Hypothese wegen der Kristallisation von Wasser experimentell schwer zu überprüfen ist, wurden in diesem Projekt Computersimulationen an flüssigem Wasser bei tiefen Temperaturen vollzogen. Durch die Verwendung eines modernen und akkuraten Wassermodels konnte diese Hypothese bestätigt werden und eine flüssig-flüssig Separation zwischen einer niederdichten (LDL) und einer hochdichten Flüssigkeit (HDL) wurde bei tiefen Temperaturen vorhergesagt. Anzeichen für eine dritte, sehr hochdichte Flüssigkeit (VHDL) wurden nicht gefunden und auch die abgeschätzte ideale Glastemperatur zeigt keine Auffälligkeiten in diese Richtung. Im Rahmen der oben gennannten Hypothese ist zu erwarten, dass beide Flüssigkeiten bei weiterem Abkühlen ein Glas bilden. Diese Kombination von flüssig-flüssig Übergang und Glasbildung hat interessante Konsequenzen. Eine davon ist Polyamorphismus, was die Existenz zweier Gläser bezeichnet, die durch scharfe Umwandlungen getrennt sind. Computersimulationen und Experimente zu Polyamorphismus in diesem Projekt zeigen, dass Wasser in der Tat Polyamorphismus mit einem niederdichten (LDA) und einem hochdichten amorphen Eis (HDA) aufweist. Es wurde außerdem gezeigt, dass die polyamorphen Übergänge zwischen diesen beiden Formen sehr ähnlich zu echten Phasenübergängen sind. Durch eine genaue theoretische Analyse der Simulationsdaten wurden zudem Größen identifiziert, die anomales Verhalten während der Glas-Glas Umwandlung zeigen, was abermals für starke Ähnlichkeit zu echten Phasenübergängen spricht. Abschließend fand sich auch in diesen Studien kein Hinweis für ein sehr hochdichtes amorphes Eis (VHDA), das verschieden von HDA ist.