Warum gefrieren Wolken oft bei höheren Temperaturen als erwartet? Ein Forschungsteam der Universität Bielefeld und der Universität Wien in Kooperation mit der Universität Helsinki zeigt erstmals auf molekularer Ebene, warum das Mineral Mikroklin besonders wirksam Eis bildet. Die Ergebnisse, veröffentlicht in einer renommierten Fachzeitschrift, liefern neue Einblicke in Prozesse, die Niederschlag und Klima weltweit beeinflussen. Ein begleitender Film aus der Reihe research_tv der Universität Bielefeld veranschaulicht die Entdeckung.
In der Atmosphäre ist Wasser selten rein. Winzige Staubpartikel wirken dort als Kristallisationskeime, an denen sich Eiskristalle bilden. Dieser Prozess entscheidet mit darüber, wann Wolken gefrieren, ob und wie viel Regen fällt und wie stark Wolken Sonnenlicht reflektieren und beeinflusst damit das Klima.
In dem Projekt untersuchen wir die Eisbildung an Oberflächen. Und bei uns geht es ganz konkret um die Eisbildung in Wolken. Dafür muss man wissen, dass flüssiges Wasser, wenn es rein ist, erst bei -38 Grad gefriert. Wenn aber ein anderer Stoff zugegen ist, zum Beispiel Saharastäube, dann kann Eis an einer solchen Oberfläche bereits bei höheren Temperaturen gefrieren. Wir untersuchen also diese Eisbildung an Oberflächen und fragen uns: Warum sind manche Mineralien bekannt dafür, dass sie sehr gut Eis bilden, während andere, die chemisch sehr verwandt sind, gar nicht so gut sind?
Das Besondere ist hier jetzt, dass wir uns das auf der Nanometerskala angeschaut haben. Zuvor gab es bereits Messungen mit einem Elektronenmikroskop, bei dem man auf der Mikrometerskala sehen konnte, wo auf so einem Mikroklinkristall die Eiskristalle wachsen. Und da hat man immer gesehen, sie wachsen aus Rissen heraus. Wir haben uns zwei verschiedene Feldspate angeschaut, das sind Mineralien, die in der Natur vorkommen. Und wir wollten verstehen, warum Mikroklin, das chemisch identisch mit Sanidin ist, so viel besser zu Eisnukleation in Wolken führt. Das heißt, wir haben es ganz konkret angeschaut. Was unterscheidet eigentlich diese beiden Mineralien?
Um uns das anzuschauen, haben wir Einkristalle von den Mineralien, die wir dann in unsere Ultrahochvakuumkammer einschleusen. Das ist wichtig, damit wir eben Mineralien haben, die eine Mineraloberfläche haben, die perfekt sauber ist, die also auch nicht mit Sauerstoff oder anderen Gasen aus der Luft in Kontakt gekommen ist. Die Kristalle heizen wir in der Kammer auf, um weitere Verunreinigungen zu entfernen. Die Oberfläche schauen wir uns dann mit sogenannter Rasterkraftmikroskopie an. Dabei kann man auf der Nanometerskala Bilder von der Oberfläche machen und können uns dann anschauen, wann wachsen Eiskristalle bei welchem Druck und vor allem auch wo?
Sobald der Wasserdruck hoch genug ist, dass Eiskristalle nukleieren können, sehe ich, dass Eiskristalle auf der Oberfläche wachsen und dabei nicht nur an den Stufenkanten, sondern eben auch auf den perfekt flachen Terrassen. Unsere Forschung deutet jetzt sehr darauf hin, dass auch diese sehr stabile Oberfläche, von der wir ausgehen, dass sie sehr viel exponierter ist als andere, bereits Eis nukleieren kann.
Für die Klimaforschung ist das insofern relevant, als man für eine genaue Modellierung des Klimas wissen muss: Wie viel Sonnenlicht wird reflektiert, wie viel wird aufgenommen? Das heißt, wir machen die Grundlagenforschung. Warum denn manche Mineralien besonders gut sind und später in den Klimamodellen kann man sich dann anschauen: Wie viel von den Mineralien haben wir in den Wolken? Und wie entwickelt sich das Klima daraufhin?
Ganz interessant ist, dass wir, obwohl wir viel Forschung betreiben, eigentlich noch gar nicht gut voraussagen können, welche Materialien wirklich gute Eisbildner sind und welche nicht. Das heißt, wo wir gerne hinkommen wollten, wäre, dass man auch voraussagen kann, wenn ein Material folgende Eigenschaften hat, dann ist es gut für die Eisnukleation oder umgekehrt auch. Das wünscht man sich ja auch immer wieder, dass man Oberflächen hat, die die Eisbildung verhindern. Und das ist das große Ziel, das wir gerne erreichen möchten.
„Wir konnten zeigen, dass beim Mineral Mikroklin bereits atomar flache Oberflächen effektiver Eis bilden als bei nah verwandten Mineralien,“ sagt Dr. Florian Schneider von der Universität Bielefeld, Erstautor der Studie. „Damit zeigen wir erstmals, wie die außergewöhnliche Eisbildungsfähigkeit von Feldspat Mineralien von der atomaren Struktur abhängt.“
Bislang ging die Forschung davon aus, dass die Eisbildung durch seltene Risse oder Kanten der Mineralien dominiert wird. Die Bielefelder Experimente belegen nun: Beim Mikroklin spielen nicht nur solche besonderen Stellen eine große Rolle, sondern auch die genaue chemische Struktur. Bestimmte chemische Gruppen auf der Oberfläche – sogenannte Aluminolgruppen – binden Wassermoleküle besonders gut und stabilisieren so die ersten winzigen Eiskristalle.
© Universität Bielefeld
© Magnus Krenz
Unerwartete Kristallstruktur
„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“, sagt Dr. Tobias Dickbreder von der Universität Wien, Letztautor der Studie. „Dieses überraschende Ergebnis liefert eine ganz neue Perspektive auf die Bedeutung von hochindizierten Kristallflächen für das Verständnis von heterogener Eisbildung.“
© Magnus Krenz
Mithilfe hochauflösender Rasterkraftmikroskopie machten die Forschenden winzige Eiscluster direkt sichtbar und kombinierten ihre Beobachtungen mit Computersimulationen. Die Ergebnisse liefern eine neue Grundlage, um Wolkenprozesse besser zu verstehen und Klimamodelle zu präzisieren.
Weitere Hintergründe zu den Experimenten und anschauliche Einblicke in die molekularen Aufnahmen bietet ein begleitender Film zur Studie.
An der Universität Bielefeld ist die Erforschung von Eisbildung auf Mineraloberflächen dem strategischen Fokusbereich „Architektur der Natur: Elementare Bausteine und Entstehung neuer Strukturen“ (ANBauEn) zugeordnet.
Originalpublikation
Florian Schneider, Rasmus Väinö Erik Nilsson, Ralf Bechstein, Hans-Georg Stammler, Bernhard Reischl, Thomas Koop, Angelika Kühnle, Tobias Dickbreder: Ice nucleation on microcline (001) in the absence of active sites. Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-026-76548-7, erschienen am 25. August 2026.
