Wasser, das nie zu Eis wird
Gibt es Wasser, das selbst bei minus 263 Grad Celsius nicht zu Eis gefriert? Ja, das gibt es, sagen Forscherinnen und Forscher der ETH Zürich und der Universit?t Zürich. N?mlich dann, wenn es in wenige Nanometer dünnen Kan?len aus Lipiden ?gefangen? ist.
Eiswürfel herzustellen ist simpel: Man nehme eine Eiswürfelform aus Kunststoff, wie sie in den meisten Haushalten zu finden ist, befülle sie mit Wasser und stelle sie ins Tiefkühlfach. Es dauert nicht lange, und das Wasser kristallisiert, wird zu Eis.
Würde man die Kristallstruktur von Eis analysieren, würde man erkennen, dass sich die Wassermoleküle in regelm?ssigen dreidimensionalen Gitterstrukturen angeordnet haben. Im Wasser hingegen liegen die Moleküle ungeordnet vor, was der Grund dafür ist, dass Wasser fliesst.
Wasser im Glaszustand
Chemiker und Physikerinnen der ETH Zürich und der Universit?t Zürich um die Professoren Raffaele Mezzenga und Ehud Landau haben nun einen ungew?hnlichen Weg gefunden, um zu verhindern, dass Wasser selbst bei tiefsten Temperaturen Eiskristalle bildet, und damit seinen ungeordneten Zustand beibeh?lt.
Die Forschenden haben zuerst eine neue Klasse von Lipiden (Fettmolekülen) entworfen und synthetisiert und damit ein neuartiges ?weiches? Material geschaffen. In dieser sogenannten Lipid-Mesophase organisieren sich die Lipide automatisch selbst und lagern sich ?hnlich wie natürliche Fettmoleküle zu Membranen zusammen. Diese ordnen sich in regelm?ssigen Formen an, etwa als Geflecht von vernetzten Kan?len von weniger als einem Nanometer Durchmesser. Temperatur, Wassergehalt und die neue Struktur der Lipidmoleküle bestimmen, welche Struktur die Lipid-Mesophase annimmt.
Kein Platz für Wasserkristalle
Der Clou daran ist, dass in den engen Kan?len kein Platz für die Kristallbildung ist; Wasser kann somit anders als in der Eiswürfelform selbst bei tiefsten Temperaturen nicht kristallisieren. Auch die Lipide gefrieren nicht.
Eine Lipid-Mesophase, die aus einem chemisch modifizierten Monoacylglycerol bestand, konnten die Forschenden in flüssigem Helium sogar auf minus 263 Grad Celsius abkühlen, also nur 10 Grad über den absoluten Nullpunkt, ohne dass sich Eiskristalle bildeten. Wasser wurde bei dieser Temperatur glasartig, wie die Forscher nachweisen und mit einer Simulation best?tigen konnten. Die entsprechende Studie über dieses ungew?hnliche Verhalten von Wasser wurde soeben in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology ver?ffentlicht.
?Wichtig ist das Verh?ltnis von Lipiden zu Wasser?, erkl?rt Raffaele Mezzenga, Professor für Lebensmittel und weiche Materialien der ETH Zürich. Der Wassergehalt des Gemischs bestimmt, bei welchen Temperaturen sich die Geometrie der Mesophase ?ndert. Besteht das Gemisch beispielsweise aus 12 Volumenprozent Wasser, ?ndert bei rund minus 15 Grad der Aufbau der Mesophase. Aus einem kubischen Labyrinth wird eine geschichtete Laminatstruktur.
Natürlicher Frostschutz von Bakterien
?Das schwierigste bei der Entwicklung dieser Lipide ist ihre Synthese und Aufreinigung?, sagt Ehud Landau, Professor für Chemie der Universit?t Zürich. Dies sei dem Fakt geschuldet, dass Lipidmoleküle aus zwei Teilen bestünden, einem hydrophoben (wassermeidenden) und einem hydrophilen (wasserliebenden). ?Das macht das Arbeiten mit ihnen enorm schwierig.?
Das weiche Material, das aus den Lipidmembranen und Wasser entsteht, besitze eine komplizierte Struktur. Sie sei so aufgebaut, dass der Kontakt von hydrophoben Teilen mit Wasser minimiert und die Kontaktfl?che zwischen hydrophilen Teilen und Wasser maximiert würden.
Vorbild für die Entwicklung der neuen Fettmoleküle sind Membranen von gewissen Bakterien. Diese produzieren eine spezielle Klasse von Lipiden, welche sich ebenfalls selbst organisieren und natürlicherweise Wasser einschliessen. Diese erm?glicht den Mikroorganismen das ?berleben in sehr kalten Lebensr?umen.
?Neu an unseren Lipiden ist, dass dreigliedrige Kohlenstoffringe in bestimmte Positionen der hydrophoben Teile des Moleküls eingebaut wurden?, sagt Landau. ?Dies führt zu einer Krümmung der Lipide, was die winzigen Wasserkan?le schafft und verhindert, dass die Lipide kristallisieren k?nnen.?
Weiches Material für die Forschung
Genutzt werden k?nnen die neuen Lipid-Mesophasen vor allem von anderen Forschenden. Mit solchen Materialien lassen sich grosse Biomoleküle zerst?rungsfrei isolieren, aufbewahren und in einer membran?hnlichen Umgebung untersuchen, zum Beispiel mittels der Kryo-Elektronen?mikroskopie. Biologen nutzen dieses Verfahren immer h?ufiger, um die Strukturen und Funktionen von grossen Biomolekülen wie Proteinen oder grossen Molekülkomplexen aufzukl?ren.
?In der Regel besch?digen und zerst?ren Eiskristalle, wie sie beim normalen Einfrieren entstehen, Membranen und lebenswichtige grosse Biomoleküle?, sagt Raffaele Mezzenga. ?Das verhindert die Aufkl?rung ihrer Struktur und ihrer Funktionen, wenn sie mit Lipidmembranen wechselwirken.?
Nicht so die neue Mesophase. Sie konserviert solche Moleküle in ihrem ursprünglichen Zustand und zusammen mit den Lipiden. ?Wir legen mit dieser Arbeit die Grundlage dafür, wie künftig Proteine in ihrer ursprünglichen Form bei sehr tiefen Temperaturen erhalten werden und mit Lipidmembranen interagieren k?nnen?, sagt der ETH-Professor.
Eingesetzt werden k?nnte diese neue Klasse des weichen Materials auch in Anwendungen, wo Wasser nicht gefrieren darf. ?Exotische Anwendungen standen für uns allerdings nicht im Vordergrund?, sagt Mezzenga, ?uns lag mehr daran, der Forschung ein neues Instrument in die Hand zu geben, um die Untersuchung von molekularen Strukturen zu erleichtern und auch um zu verstehen, wie zwei Hauptbestandteile des Lebens – Wasser und Fett – unter extremen Temperaturen und geometrischer Eingrenzung miteinander interagieren.?
Literaturhinweis
Salvati Manni L, Assenza S, Duss M, Vallooran JJ, Juranyi F, Jurt S, Zerbe O, Landau EM, Mezzenga R. Soft biomimetic nanoconfinement promotes amorphous water over ice. Nature Nanotechnology. Published: 08.April 2019. doi: externe Seite 10.1038/s41565-019-0415-0