Wie Eis sich selbst am Schmelzen hindert: Hauchdünne Luftschicht bremst die Wärmeabgabe von Eis
Wenn Eis auf eine extrem heiße Oberfläche trifft, müsste es sich nach klassischen Vorstellungen rasch erwärmen. Versuche ergaben jedoch, dass sich in Nanosekunden zwischen Metall und Eis eine winzige Dampfschicht bildet, die den Wärmetransport drastisch bremst.
Am European XFEL, einer Hamburger Röntgenlaser-Forschungseinrichtung, wurde standardmäßig untersucht, wie sich amorphes Eis verhält – eine nichtkristalline, glasartige Form gefrorenen Wassers. Im Experiment wurde eine ultradünne Eisschicht auf einer Metallfläche abgelegt und das Metall sehr schnell erhitzt.
Das Ergebnis widersprach den Erwartungen der Forschenden. Obwohl die verwendete Platinfolie stark aufgeheizt wurde, erwärmte sich das Eis innerhalb der untersuchten Nanosekunden kaum. Auch seine Struktur veränderte sich nur geringfügig.
Eine nanometerdünne Barriere
Mit Röntgenmessungen an der Experimentierstation FXE ließ sich zusammen mit Computersimulationen die Ursache ermitteln: Durch die abrupte Erwärmung entsteht offenbar eine etwa sechs Nanometer dicke Dampfschicht an der Grenzfläche zwischen Platin und Eis.
Die Schicht unterbricht den direkten Wärmekontakt und reduziert dadurch den Energiefluss vom heißen Metall in das Eis. Sie wirkt also wie eine thermische Barriere. Die Beobachtung erinnert damit an den Leidenfrost-Effekt: Ein Wassertropfen kann auf einer extrem heißen Oberfläche auf einem schützenden Dampfkissen gleiten.
„Dieses Ergebnis ist ein gutes Beispiel dafür, wie wissenschaftliche Forschung völlig unerwartet in eine neue Richtung führen kann“, bemerkt Tobias Eklund, XFEL-Doktorand und an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz. „Was als Experiment zur Untersuchung der Phasenübergänge von amorphem Eis begann, offenbarte einen anomalen Energietransport an der Grenzfläche, der sich dadurch erklären lässt, dass sich eine isolierende Dampfschicht bildet.“
Christopher Milne, Gruppenleiter an der FXE-Station, fasst das so zusammen: „Ein auffälliges Messergebnis, sorgfältige Analysen und Modellierungen – und eine neue Erkenntnis.“
Weitere Erforschung von Grenzflächen
Die Studie zeigt zugleich, dass schnelle Erwärmung Grenzflächen zwischen Materialien grundlegend anders beeinflussen kann als in herkömmlichen Modellen angenommen. Statt Wärme direkt vom Metall in das Eis zu übertragen, verändert sich die Kontaktzone und erzeugt kurzfristig eine isolierende Zwischenschicht.
Es sei erstaunlich zu sehen, wie Wasser uns immer noch überraschen kann, sagt Katrin Amann-Winkel, Koordinatorin der Studie von der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz und Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Polymerforschung. „Die Ergebnisse sind wichtig für unser Verständnis von Wasser und Eis in der Atmosphäre, aber auch im Weltraum, wo sich amorphes Eis an winzige Staubkörner anlagert.“
Die Forschenden wollen nun klären, ob vergleichbare Dampfschichten auch an anderen Materialgrenzflächen entstehen. Von besonderem Interesse sind Systeme, die extrem schnell erhitzt werden. Damit rückt die Grenzfläche selbst in den Mittelpunkt, weil sie den Energiefluss offenbar kurzfristig verändern kann. Weiterführende Anwendungen wären laut den Forschenden laserbasierte Fertigungsverfahren, Datenspeichertechnologien oder katalytische Prozesse.
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Communications Chemistry veröffentlicht. Die neue Beobachtung erweitert damit einerseits unser Verständnis von Eis – und beweist andererseits auch, dass sich Wärmeübertragung auf kleinsten Zeit- und Längenskalen unerwartet entwickeln kann.
Artikelreferenz
Liu, Y., Eklund, T., Karina, A., et al. (2026). Formation of nanoscale vapour films governing thermal resistance in amorphous ice. Communications Chemistry.