Gibt man einen Tropfen Wasser in eine sehr heiße Pfanne, kann er auf einem Dampfkissen über die Oberfläche gleiten. Dieses Phänomen ist als Leidenfrost-Effekt bekannt. Nun haben Wissenschaftler:innen ein verwandtes Phänomen beobachtet, wobei Eis und eine extrem heiße Oberfläche aufeinander treffen – auf Zeit- und Längenskalen im Nanobereich. Ein internationales Forschungsteam hat den Effekt an der Experimentierstation FXE bei European XFEL entdeckt und untersucht. Er könnte Einfluss auf laserbasierte Fertigungsverfahren, Datenspeichertechnologien und katalytische Prozesse haben. Die Ergebnisse wurden in der Nature-Fachzeitschrift Communications Chemistry veröffentlicht.

Im Experiment erhitzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Folie aus Platin unter einer ultradünnen Schicht aus amorphem Eis, einer nichtkristallinen, glasartigen Form von Eis. Entgegen ihrer Erwartungen stellten sie fest, dass sich das Eis auf Nanosekunden-Zeitskalen kaum erwärmte oder in seiner Struktur veränderte.

„Dieses Ergebnis ist ein gutes Beispiel dafür, wie wissenschaftliche Forschung völlig unerwartet in eine neue Richtung führen kann. 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“, sagt Tobias Eklund, Doktorand bei European XFEL und an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU).

„Ein auffälliges Messergebnis, sorgfältige Analysen und Modellierungen – und eine neue Erkenntnis“, fügt Christopher Milne hinzu, Gruppenleiter an der Experimentierstation FXE, wo das Experiment durchgeführt wurde.

Röntgenmessungen in Verbindung mit Computersimulationen deuten darauf hin, dass durch die schnelle Erwärmung eine Dampfschicht mit einer Dicke von etwa sechs Nanometern zwischen dem Platin und dem Eis entsteht. Diese winzige Schicht wirkt als thermische Barriere und reduziert den Wärmefluss erheblich. Die Ergebnisse zeigen, dass sich bei extrem schnellem Aufheizen die Grenzfläche zwischen Metall und Eis neu ordnen kann. Statt direkt vom Metall ins Eis überzugehen, wird die Wärme durch die neu gebildete Dampfschicht blockiert – was herkömmliche Wärmeübertragungsmodelle nicht vorhersagen.

„Es ist erstaunlich zu sehen, wie Wasser uns immer noch überraschen kann. 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”, sagt Katrin Amann-Winkel, Koordinatorin der Studie von der JGU und Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Polymerforschung.

Die Forschenden hoffen nun untersuchen zu können, ob sich ähnliche Isolationsschichten auch an anderen Materialgrenzflächen bilden können, die einer schnellen Erwärmung ausgesetzt sind.

Quelle: European XFEL GmbH