Welches Material hat den niedrigsten Gefrierpunkt?
Das Material mit dem niedrigsten Gefrierpunkt ist Helium. Unter typischen Drücken gefriert es auch bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt überhaupt nicht. Die Gründe dafür sind quantenmechanisch: Die Nullpunktsenergie eines Heliumsystems ist zu groß, um ein Einfrieren zuzulassen. Die Nullpunktsenergie ist die minimale Energie, die ein Teilchen oder System immer hat, egal was passiert. Helium ist die einzige Substanz, die unter Umgebungsdruck unabhängig von der Temperatur keinen Gefrierpunkt aufweist.
Ein Gefrierpunkt für Helium liegt nur bei mindestens 25 Atmosphären Druck und einer Temperatur von 1,15 K vor. Diese Bedingungen wurden in einem Labor durch Verdunstungskühlung geschaffen. Das Ergebnis ist ein farbloser, stark komprimierbarer Feststoff, der praktisch unsichtbar ist. Festes Helium ist so schwer zu erkennen, dass Styroporschichten nur verwendet werden, um zu erkennen, wo es sich befindet. Die Dichte von festem Helium selbst ist nur 66-mal höher als die von Luft. Zum Vergleich: Wasser ist 1000-mal dichter als Luft.
Helium wurde erstmals 1908 von der niederländischen Physikerin Heike Onnes verflüssigt, die es auf 1 Grad Kelvin abkühlte. Zu seiner großen Überraschung erreichte die weitere Abkühlung nicht den Gefrierpunkt. Erst 18 Jahre später, 1926, konnte sein Schüler Williem Keesom Helium durch Abkühlen in einer Druckkammer verfestigen. Die Verflüssigung von Helium ist heute ein wichtiger Schritt, um es aus der Erde zu gewinnen und zu speichern.
Flüssiges Helium wird häufig als Tieftemperaturkühlmittel verwendet, wenn flüssiger Stickstoff nicht ausreicht. Es muss unter konstant hohem Druck und niedriger Temperatur gehalten werden, sonst dehnt es sich schnell aus und geht in ein Gas über. Festes Helium findet außerhalb der wissenschaftlichen Forschung keine praktische Anwendung.
Einige der ungewöhnlichsten Eigenschaften von Helium können bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ausgeglichen werden. Bei solchen Temperaturen verhält sich Helium wie ein Superfluid, dh es fließt mit einer messbaren Viskosität von Null. Es hat auch die Tendenz, sich an den Wänden eines Behälters hochzuschleichen, in dem es aufbewahrt wird.