Leichtes Wasser, schweres Wasser und wässrige Natriumchloridlösungen unter extremen Bedingungen: Neue Einblicke in die Anomalien und strukturellen Eigenschaften von Wasser

• Antragsteller: Dr. Christian Sternemann; Professor Dr. Max Wilke
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431324570

Wasser und wässrige Lösungen sind allgegenwärtig, da sie bei unzähligen natürlichen Phänomenen und technischen Prozessen involviert sind. Wasser hebt sich aufgrund seiner zahlreichen physikalischen Anomalien von allen anderen Flüssigkeiten ab. Diesessteht in engem Zusammenhang zu dem komplexen Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen, aber ist noch nicht vollständig verstanden. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Bemühungen und Expertise von Gruppen aus Physik und Geowissenschaften zu kombinieren, um neue Erkenntnisse über Wasser bei extremen Bedingungen zu erzielen. Einerseits werden wir den gedehnten flüssigen Zustand bei negativen Drücken untersuchen. Dieser Zustand ist metastabil bzgl. der Dampfphase und die Nukleation einer Blase würde das System wieder in den stabile Zustand bringen. Wasser in Flüssigkeitseinschlüssen in Quarz kann bis zu -100 MPa im metastabilen Zustand erreichen und kann mit Photonen untersucht werden. Wir werden Brillouin-, optische Raman- und Röntgen-Raman-Spektroskopie nutzen, um die thermodynamischen und strukturellen Eigenschaften von gedehntem Wasser zu beleuchten. Die Experimente werden nicht nur in normalem Wasser, sondern auch in schwerem Wasser und NaCl-Lösungen durchgeführt, da diese Fluide Zugang zu Zuständen ermöglichen, die in normalem Wasser nicht erreichbar sind. Z.B., für die Linie des Dichtemaximums für schweres Wasser wird eine Maximumtemperatur bei negativen Drücken erwartet, die in normalem Wasser nicht erreicht werden können. Die Linie der Kompressibilitätmaxima hingegen, die kürzlich für reines Wasser gefunden wurde, soll in niedrigen Salzkonzentrationen stärker ausfallen. Andererseits werden wir das stabile Fluid bei hohen Drücken und Temperaturen studieren. Eine Schlüsseleigenschaft von Wasser in geologischen Prozessen(Subduktionszonen, hydrothermale Systeme) ist die Viskosität. Jedoch, existieren nur geringfügige Daten für reines Wasser bei hohen Drücken und fehlen komplett für Salzlösungen. Darüberhinaus ist die gängige Messmethode (rollende Kugel in Diamantstempelzelle) limitiert bzgl. Genauigkeit und Richtigkeit. Wir werden eine neueTechnik basierend auf der Brown'schen Bewegung von Kugeln mit ca. 100 nm Durchmesser entwickeln, welche diese Probleme lösen wird. Die Viskositätsmessungen werden mit optischer Ramanspektroskopie für die molekulare Struktur verbunden. Zusätzliche Einblicke zur Struktur werden durch Röntgen-Raman Spektroskopie gewonnen, insbesondere für die unbekanntere Struktur von schwerem Wasserund NaCl-Lösungen, bei Bedingungen bis über den kritischen Punkt, insbesondere um den Einfluss auf die Ionenhydratisierung zu bestimmen. Zusammfassend, kombinieren wir unsere komplementäre Expertise um Wasser, schweres Wasser und NaCl-Lösungen bei extremen Bedingungen, im gedehnten, überkritischen undhochdichtem Regime zu studieren und so ein tieferes Verständnis der mikroskopischen Struktur von Fluiden und ihrer Beziehung zu makroskopischen Eigenschaften zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Frédéric Caupin; Professorin Dr. Isabelle Daniel