💧 Wasser könnte aus zwei Flüssigkeiten in einer bestehen

Jeder weiß, dass Wasser ein ungewöhnliches Verhalten zeigt: Es wird beim Gefrieren weniger dicht, sodass Eis schwimmen kann. Doch diese Besonderheit ist nur der sichtbare Teil eines weitaus größeren Phänomens.

Tatsächlich weist Wasser Dutzende überraschender Eigenschaften auf, wie eine im Vergleich zu ähnlichen Flüssigkeiten ungewöhnlich hohe Wärmekapazität. Seit Jahrzehnten vermuten Wissenschaftler, dass diese Anomalien eine gemeinsame Ursache haben könnten: Auf molekularer Ebene könnte Wasser tatsächlich aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten bestehen, die sich permanent ineinander umwandeln.


Diese als „Zwei-Zustands-Hypothese" bezeichnete Annahme postuliert die Existenz einer dichten und einer weniger dichten Form von Wasser, die nebeneinander existieren und sich ineinander umwandeln. Ihr Vorhandensein nachzuweisen ist äußerst schwierig, da die Umwandlung so schnell und subtil ist, dass sie herkömmlichen Messungen entgeht. Einem Forscherteam ist es nun mithilfe von künstlicher Intelligenz gelungen, einen wichtigen Schritt zu machen, indem es den ersten direkten molekularen Beweis für dieses Phänomen erbrachte, wie es in Nature Physics berichtet.

Um dies zu erreichen, griff das Team unter der Leitung von Xiao Cheng Zeng auf einen innovativen Ansatz zurück: unüberwachtes Deep Learning. Anstatt nach vorher definierten Mustern zu suchen, wurde die KI darauf trainiert, die Molekulardynamik von Hunderttausenden von Wassermolekülen zu analysieren. Durch die Extraktion der relevantesten Variablen identifizierte sie, wie ein Wassermolekül von einer dichten in eine lockere Struktur übergeht und umgekehrt. Diese Methode ermöglichte es, den Prozess in Rekordzeit abzubilden, während traditionelle Ansätze Jahre gebraucht hätten.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Umwandlung zwischen den beiden Formen zwei unterschiedliche Wege nimmt. Am häufigsten folgt sie einer Bahn mit nur einer zu überwindenden Energiebarriere. In der Nähe der Grenze, wo die beiden Zustände koexistieren – eine Schwelle ähnlich der zwischen Eis und flüssigem Wasser – können die Moleküle jedoch einen längeren Weg nehmen, der drei aufeinanderfolgende Barrieren umfasst. Diese Entdeckung erklärt, warum Wasser in extremen Bedingungen sein Verhalten zu ändern scheint, zum Beispiel wenn es unterkühlt ist.

Diese Ergebnisse bestätigen nicht nur eine dreißig Jahre alte Hypothese. Sie könnten auch helfen, zahlreiche Eigenschaften von Wasser zu verstehen, wie seine anomale Dichte, Viskosität oder Wärmekapazität. Durch ein besseres Verständnis der molekularen Struktur von Wasser hoffen die Forscher, letztlich die Modellierung der Wechselwirkungen mit Salzen, Proteinen und Medikamenten in Lösung zu verbessern, was Anwendungen in Pharmazie und Biologie hätte.

Aber es bleibt noch ein weiter Weg. Xiao Cheng Zeng und sein Team entwickeln derzeit ein leistungsfähigeres maschinelles Lernmodell, um diese Ergebnisse zu bestätigen. Der nächste Schritt wird sein, sie experimentell zu validieren, was extrem empfindliche Messtechniken erfordert. Wenn diese Arbeiten erfolgreich sind, könnten sie eines der größten Rätsel der Physik lüften: Warum ist Wasser so einzigartig?