Wie Silberiodid Eis entstehen lässt: Forschende der TU Wien enthüllen, wie ein winziger Kristall auf atomarer Ebene die Eisbildung auslöst.

Niemand kann das Wetter kontrollieren, doch bestimmte Wolken lassen sich gezielt dazu bringen, Regen oder Schnee abzugeben. Dieses Verfahren, bekannt als „Wolkenimpfen“, wird eingesetzt, um Hagelschäden zu verhindern oder Dürren zu mildern. Es beruht meist darauf, dass kleine Silberiodid-Partikel mit Flugzeugen in Wolken gesprüht werden. Diese Partikel wirken als Keime, an denen sich Wassermoleküle anlagern. So entstehen kleinste Schneeflocken, die dann wachsen, bis sie schwer genug sind, um als Regen oder Schnee zu Boden zu fallen. Nun ist es Forschenden der TU Wien erstmals gelungen, zu erklären, wie dieser Prozess auf atomarer Ebene funktioniert.

Mit hochauflösender Mikroskopie und Computersimulationen wurde untersucht, wie Silberiodid auf atomarer Ebene mit Wasser wechselwirkt. Ihre Ergebnisse zeigen, dass Silberiodid zwei sehr unterschiedliche Oberflächen ausbildet, doch nur eine davon begünstigt die Eisbildung. Diese Entdeckung vertieft unser Verständnis darüber, wie Wolken Regen und Schnee erzeugen, und könnte helfen, gezielt neue Materialien zur Niederschlagserzeugung zu entwickeln.

Die Oberflächenstruktur ist der Schlüssel zur Eisbildung

„Silberiodid bildet hexagonale Strukturen mit derselben sechskantigen Symmetrie, die man auch von Schneeflocken kennt“, erklärt Jan Balajka vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Auch die Abstände zwischen den Atomen ähneln jenen in Eiskristallen. Lange Zeit nahm man an, dass diese Ähnlichkeit der Struktur erklärt, warum Silberiodid ein so effizienter Kristallisationskeim für Eis ist. Eine genauere Untersuchung zeigt jedoch, dass der Mechanismus weitaus komplexer ist.“

Die atomare Struktur der Oberfläche, an der die Eisbildung beginnt, unterscheidet sich von jener im Inneren des Kristalls. Bricht man einen Silberiodid-Kristall auseinander, so besteht die Oberfläche auf der einen Seite aus Silberatomen, auf der anderen aus Jodatomen. „Wir haben herausgefunden, dass sich beide Oberflächen umordnen, allerdings auf völlig unterschiedliche Weise“, sagt Johanna Hütner, die die Experimente durchgeführt hat. Die Silber-Oberfläche behält eine hexagonale Anordnung bei, die eine ideale Vorlage für das Wachstum einer Eisschicht bildet, während die Jod-Oberfläche eine rechteckige Struktur ausbildet, die nicht mehr zur sechskantigen Symmetrie der Eiskristalle passt.

„Nur die Silber-terminierte Oberfläche trägt zur Keimbildung bei“, erklärt Balajka. „Die Fähigkeit von Silberiodid, in Wolken Eisbildung auszulösen, lässt sich also nicht allein durch die Struktur im Inneren des Kristalls erklären. Entscheidend ist die atomare Anordnung an der Oberfläche – ein Effekt, der bislang völlig übersehen wurde.“

Eisbildung enthüllt durch Experimente und Simulationen

Das Team der TU Wien untersuchte diese Effekte mit zwei komplementären Ansätzen. Zunächst wurden Experimente unter Ultrahochvakuum und bei sehr tiefen Temperaturen durchgeführt. Dabei wurde Wasser auf kleine Silberiodid-Kristalle aufgedampft, und die entstehenden Strukturen wurden mit hochauflösender Rasterkraftmikroskopie analysiert.

„Eine der größten Herausforderungen war, dass alle Experimente in völliger Dunkelheit stattfinden mussten“, erklärt Johanna Hütner. „Silberiodid ist extrem lichtempfindlich, weshalb es früher in Fotoplatten und -filmen eingesetzt wurde. Wir haben nur gelegentlich rotes Licht verwendet, wenn es für die Handhabung der Proben in der Vakuumkammer notwendig war.“

Parallel dazu simulierte das Team die Oberflächen und die darauf entstehenden Wasserstrukturen mithilfe von Dichtefunktionaltheorie, einer speziellen Methode für die quantenmechanische Beschreibung atomarer Wechselwirkungen. „Mit diesen Simulationen konnten wir berechnen, welche Anordnungen von Atomen energetisch am günstigsten sind“, erklärt Andrea Conti, der die Berechnungen durchführte. „Durch die genaue Modellierung der Grenzfläche zwischen Silberiodid und Wasser konnten wir beobachten, wie sich die ersten Wassermoleküle auf der Oberfläche anordnen, um eine Eisschicht zu bilden.“

„Eigentlich ist es erstaunlich, dass man sich so lange mit einer eher vagen, phänomenologischen Erklärung für die Nukleationseffekte von Silberiodid zufriedengegeben hat“, sagt Ulrike Diebold, Leiterin der Gruppe für Oberflächenphysik an der TU Wien, wo die Studie durchgeführt wurde. „Eiskeimbildung ist ein Phänomen von zentraler Bedeutung für die Atmosphärenphysik und ein Verständnis auf atomarer Ebene ist essentiell, um herauszufinden, ob andere Materialien als effektive Keimbildner geeignet sein könnten.“

Quelle: Technische Universität Wien