Neue Einblicke in den superkritischen Zustand von Wasser

Neue Einblicke in den superkritischen Zustand von Wasser

21.01.2016
© RUB, Christoph Schran
Superkritisches Wasser kann unterschiedliche Zustände annehmen, wobei die sogenannte Widom-Linie ein gasähnliches von einem flüssigkeitsähnlichen Regime trennt.

Mit Molekulardynamik-Simulationen haben Forscher die Eigenschaften von superkritischem Wasser analysiert. Das kann in Zukunft helfen, experimentelle Befunde zu deuten.

Wasserstoffbrückennetzwerk entscheidend

Bei rund 375 Grad Celsius und einem 220-fach höheren Druck als Normaldruck erreicht Wasser einen superkritischen Zustand, in dem flüssige und gasförmige Phase nicht mehr klar zu unterscheiden sind – so lautet die traditionelle Lehrbuchmeinung.

„Erst seit wenigen Jahren wird diskutiert, dass der superkritische Zustand doch eher in ein gas- und ein flüssigkeitsähnliches Regime zu unterteilen sein könnte, getrennt durch die sogenannte Widom-Linie“, erklärt Christoph Schran vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie der RUB, den Prof. Dr. Dominik Marx leitet.

Mit Molekulardynamik-Simulationen erforschte das Team, wie man die Widom-Linie experimentell mit der Terahertz-Spektroskopie untersuchen könnte. Dazu nutzten sie unter anderem die Technik am Leibniz-Rechenzentrum in München. Die Theoretiker verglichen drei Zustände: den Zustand von flüssigem Wasser bei Raumtemperatur; einen superkritischen Zustand mit hoher Dichte; und einen superkritischen Zustand mit niedriger Dichte.

Die Analysen ergaben, dass das Wasserstoffbrückennetzwerk zwischen den Wassermolekülen in diesen drei Zuständen komplett unterschiedlich ausgeprägt ist.

Terahertz-Spektren simuliert

Die Forscher simulierten die zu den drei Zuständen gehörigen Schwingungsspektren im Terahertz-Bereich, deren Form maßgeblich durch die Struktur des Wasserstoffbrückennetzwerks beeinflusst wird. Was der Form der Spektren auf molekularer Ebene genau zugrunde liegt, ist experimentell nicht direkt zu beobachten.

Diese Lücke schließt die Theorie: Die vorliegende Studie klärte die physikalischen Prozesse auf, die die Form der Terahertz-Spektren von gas- und flüssigkeitsähnlichem superkritischen Wasser bedingen.

In Kooperation mit der polnischen Gdańsk University of Technology berichten die Bochumer die Ergebnisse in „Physical Review Letters“. Die Studie entstand im Rahmen des Exzellenzcluster RESOLV.

Originialveröffentlichung

M. Śmiechowsk, C. Schran, H. Forbert, D. Marx (2016): Correlated particle motion and THz spectral response of supercritical water, Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.027801

Text: Julia Weiler

Weitere Informationen
http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/pm2016/pm00008.html.de