Ученые расшифровали молекулярный механизм, почему минерал микоклин эффективнее других образует лед в облаках

Rätsel der Eisbildung in Wolken auf molekularer Ebene entschlüsselt Mineral Mikroklin bildet besonders wirksam Eis 25. August 2026, Lesezeit: 4 Min. Eis ohne besondere Keimstelle: Das Feldspatmineral Mikroklin kann Eiskristalle schon auf seiner atomar flachen, stabilen Oberfläche entstehen lassen. Nanometeraufnahmen und Simulationen zeigen einen atomaren Unterschied, der Mikroklin deutlich wirksamer macht als das chemisch gleiche Mineral Sanidin. Allerdings fanden die Experimente unter stark vereinfachten Laborbedingungen statt und bilden die Atmosphäre nicht direkt nach. Bielefeld (Deutschland). Ob Wassertröpfchen in Wolken flüssig bleiben oder zu Eis gefrieren, beeinflusst Niederschlag und die Strahlungseigenschaften von Wolken. Reines Wasser kann dabei bis auf etwa minus 38 Grad Celsius unterkühlt bleiben. In der Atmosphäre erleichtern jedoch Staubteilchen die sogenannte heterogene Eisnukleation, indem sie den ersten Eiskristallen eine Oberfläche bieten. Besonders wirksam sind bestimmte Feldspäte. Mikroklin gilt als außergewöhnlich guter Eiskeim, obwohl eng verwandte Feldspäte chemisch sehr ähnlich oder sogar identisch zusammengesetzt sein können. Bisher wurden dafür vor allem seltene Risse, Poren und Stufenkanten verantwortlich gemacht, sogenannte aktive Stellen. Dass Feldspat-Kristalle als Eiskeime wirken, ist schon länger bekannt. Offen blieb jedoch, welche atomaren Eigenschaften ihre sehr unterschiedliche Aktivität erklären. Eis entsteht mitten auf der Terrasse Forscher der Universität Bielefeld um Dr. Florian Schneider haben nun Mikroklin mit Sanidin verglichen. Beide Minerale besitzen die chemische Zusammensetzung KAlSi₃O₈, unterscheiden sich aber in der Ordnung von Aluminium und Silizium im Kristallgitter. Das Team spaltete Einkristalle frisch auf, kühlte sie im Ultrahochvakuum auf 145 Kelvin und beobachtete die Eisbildung mit hochauflösender Rasterkraftmikroskopie. Beliebteste Artikel der Woche Modelle sprechen für wiederholte Fernfahrten zwischen Malta und Sizilien Dazu erhöhten die Forscher schrittweise den Wasserdampfdruck und verfolgten direkt, wo die ersten Nanometer großen Eiscluster entstanden. Anschließend ließen sie das Eis wieder verdampfen und wiederholten den Vorgang an derselben Oberfläche. So konnten sie prüfen, ob Eiskristalle bei jedem Durchlauf bevorzugt an denselben aktiven Stellen keimten. Bei Mikroklin zeigte sich ein anderes Bild als erwartet. Schon bei einem Wasserdampfdruck von etwa 4,6 · 10⁻⁸ Millibar entstanden Eiskristalle sowohl an Stufenkanten als auch auf den atomar flachen Terrassen. Nach mehreren Zyklen lagen die Keimorte auf den Terrassen weitgehend zufällig verteilt. Bei Sanidin setzte die Eisbildung erst bei etwa 7 · 10⁻⁸ Millibar ein und konzentrierte sich vor allem auf Stufenkanten. „Damit zeigen wir erstmals, wie die außergewöhnliche Eisbildungsfähigkeit von Feldspat Mineralien von der atomaren Struktur abhängt“, sagt Dr. Florian Schneider. Ein ungewöhnlicher Gittertreffer Warum reagieren die beiden chemisch gleichen Feldspäte so verschieden? Mikroklin besitzt eine geordnetere Aluminium-Silizium-Struktur als Sanidin. Auf seiner stabilen (001)-Oberfläche sitzen dadurch im Mittel etwa doppelt so viele Aluminolgruppen, als o Hydroxylgruppen an Aluminiumatomen. Sie können Wasser über Wasserstoffbrücken binden und den entstehenden Eiskristall stabilisieren. Atomistische Simulationen liefern dazu einen möglichen strukturellen Mechanismus. Demnach passt nicht eine der üblichen niedrig indizierten Eisflächen besonders gut auf Mikroklin. Stattdessen kann eine höher indizierte (10.4)-Fläche des hexagonalen Eises so aufliegen, dass mehrere eisähnliche Wasserstoffbrücken zur Mineraloberfläche entstehen. Auf Sanidin ist dieser Kontakt weniger günstig. „Interessanterweise passt die Struktur der stabilsten Oberfläche von Mikroklin eigentlich nicht gut zur Struktur der typischen Kristallflächen von Eis. Die Eiskristalle in unseren Experimenten wachsen deshalb ausgehend von einer eher unkonventionellen, sogenannten hochindizierten Kristallfläche“, erklärt Dr. Tobias Dickbreder von der Universität Wien. Damit widerspricht die Studie nicht der Beobachtung, dass Risse und Kanten unter atmosphärisch näheren Bedingungen wichtige Keimstellen sein können. Sie zeigt vielmehr, dass die atomare Struktur des Mikroklins selbst einen zusätzlichen Vorteil liefert. Besonders die häufig vorkommende, thermodynamisch stabile (001)-Fläche kann demnach zur hohen Eisnukleationsfähigkeit beitragen. Mechanismus statt Miniatur-Wolke Die Forscher betonen zugleich eine wichtige Grenze. Die Messungen fanden bei 145 Kelvin, im Ultrahochvakuum und bei höheren Sättigungsverhältnissen statt als typischerweise in Wolken. Weil die Rasterkraftmikroskopie nur einen sehr kleinen Oberflächenausschnitt erfasst, waren solche Bedingungen nötig, um genügend Keimereignisse direkt sichtbar zu machen. Die Ergebnisse sind deshalb keine direkte Nachbildung atmosphärischer Eisbildung. Vielmehr liefern sie einen mechanistischen Rahmen dafür, warum Mikroklin schon auf atomarer Ebene wirksamer sein kann als Sanidin. Bei niedrigeren Sättigungsverhältnissen nimmt auch in den Experimenten die Bevorzugung von Stufenkanten zu, was zu früheren Untersuchungen aktiver Stellen passt. „Dass wir das Wachstum der ersten Eiskristalle direkt beobachten konnten, ist ein methodischer Durchbruch. Unsere Ergebnisse zeigen, wie stark kleinste Strukturen auf Mineraloberflächen großräumige atmosphärische Prozesse beeinflussen können“, sagt Prof. Dr. Angelika Kühnle von der Universität Bielefeld. Die neue Arbeit verbindet damit Oberflächenchemie, Kristallstruktur und beobachtete Eisbildung auf der Nanometerskala. Sie liefert einen Baustein, um die unterschiedliche Wirkung mineralischer Staubpartikel besser zu verstehen. Für die Atmosphärenforschung bleibt nun zu klären, wie stark dieser atomare Vorteil unter realistischen Temperaturen, Feuchten und auf natürlichen Staubkörnern zum Tragen kommt. Quellen: Originalstudie im Fachmagazin Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-026-76548-7