Was hier dampft, ist kein kochendes Wasser, sondern flüssiger Stickstoff. Stickstoff begegnet uns im Alltag fast ausschließlich in gasförmiger Form als Hauptbestandteil der Luft. Wird er jedoch auf unter −196 °C (77 K) abgekühlt, geht er in den flüssigen Zustand über. Das Ergebnis ist eine farb- und geruchslose Flüssigkeit, die auf den ersten Blick an kochendes Wasser erinnert, jedoch völlig andere Eigenschaften hat.

Die extrem niedrige Temperatur macht flüssigen Stickstoff zu einem außergewöhnlichen Stoff, mit dem sich eindrucksvolle physikalische Phänomene beobachten lassen. In den kommenden Wochen zeigen wir euch damit spannende Experimente.

Bananen bestehen zu etwa 75 % aus Wasser. Kühlt man sie mit flüssigem Stickstoff (–196 °C), gefrieren sie vollständig und werden extrem hart – so hart, dass man damit einen Nagel in ein Brett schlagen kann. Im Gegensatz zu einem Eiswürfel, der bei einem solchen Versuch sofort zersplittert, bleibt die gefrorene Banane stabil. Die restlichen 25 % bestehen aus einem flexiblen Zellgewebe, das wie ein Netz wirkt und die Struktur der Banane im gefrorenen Zustand zusammenhält.

LEDs sind Halbleiterbauelemente, die Licht aussenden. In dem Halbleiter rekombinieren Elektronen mit sogenannten Defektelektronen (Löchern), wobei Photonen – also Licht – freigesetzt werden. Die Farbe der LED hängt von der Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials ab. Diese gibt an, wie viel Energie ein Photon beim Übergang freisetzt. Die Größe der Bandlücke wird durch die atomare Gitterstruktur des Halbleiters bestimmt. Kühlt man die LED mit −196 °C kaltem flüssigem Stickstoff ab, zieht sich das Kristallgitter zusammen. Dadurch vergrößert sich die Bandlücke und die ausgesendeten Photonen besitzen mehr Energie. Dies führt zu einem Farbwechsel von gelb zu energiereicherem grün.

Dieser Effekt lässt sich nicht nur bei gelben LEDs beobachten, sondern bei LEDs beliebiger Farbe, wobei es stets zu einer Verschiebung in Richtung energiereicheres Licht kommt.

Wenn man einen Luftballon von außen mit flüssigem Stickstoff bei −196 °C begießt, kühlt sich die Luft im Inneren so stark ab, dass sie sich verflüssigt. Da die Siedetemperatur von Sauerstoff höher ist als die von Stickstoff, verflüssigt sich auch der Sauerstoffanteil in der Luft. Der Druck im Ballon sinkt und er beginnt zu schrumpfen. Nimmt man ihn wieder aus dem Stickstoffbad, erwärmt sich die Luft im Ballon und wird gasförmig. Der Ballon dehnt sich aus und nimmt seine ursprüngliche Form wieder an.

Stickstoff hat eine Siedetemperatur von −196 °C (77 K) und eine Schmelztemperatur von −210 °C (63 K). Um ihn unter Normaldruck in den festen Zustand zu überführen, wäre ein noch kälteres Kühlmittel nötig. Man kann jedoch auch eine Vakuumglocke verwenden. Beim Abpumpen entweichen bevorzugt die energiereichen Moleküle aus dem Becherglas. Dieser Energieverlust führt zu einer weiteren Abkühlung der verbleibenden Flüssigkeit. Sinkt die Temperatur unter die Schmelzgrenze, gefriert der Stickstoff und es entsteht ein Feststoff, der hier als weißer „Schnee” in Erscheinung tritt.

Eierschale weist unter Normalbedingungen keine Phosphoreszenz-Effekte auf. Wenn diese jedoch mit dem -196 °C kalten flüssigen Stickstoff gekühlt und dann mit UV-Licht (mit einer Wellenlänge von 365 nm) beleuchtet wird, beobachtet man ein grünes Nachleuchten. Dieses wird als Phosphoreszenz bezeichnet.
Dieses Experiment wurde vor einigen Wochen bei uns das erste Mal durchgeführt und die gezeigten Phänomene nicht vollständig verstanden. Unsere aktuelle These ist, dass eine Anregung mit dem UV-Licht die Atome in höhere Energieniveaus hebt, wobei diese Anregung bei tiefen Temperaturen langlebiger wird. Bei Raumtemperatur hingegen gibt es eine sehr schnelle thermische Abregung in das Grundniveau.

In diesem Erlenmeyerkolben befindet sich flüssiger Stickstoff bei −196 °C. Wenn eine zimmerwarme Röhre hineingesteckt wird, erwärmt sich der Stickstoff schlagartig, verdampft und dehnt sich dabei auf etwa das 700-fache seines Volumens aus. Der entstehende gasförmige Stickstoff sprudelt in Form einer weiten Fontäne aus der Röhre heraus. Die sichtbaren Schwaden sind jedoch nicht der Stickstoff selbst, sondern Luftfeuchtigkeit, die aufgrund der schnellen Abkühlung durch den Stickstoff in der Luft kondensiert und als Nebel sichtbar wird.

Die Kombination aus Magneten, Supraleitern und flüssigem Stickstoff ermöglicht äußerst spannende Effekte. Bei dem hier verwendeten Material handelt es sich um einen sogenannten Hochtemperatur-Supraleiter, dermit flüssigem Stickstoff bei -196 °C gekühlt werden muss, um die Sprungtemperatur zu unterschreiten. Unterhalb dieser Sprungtemperatur wird das Material supraleitend, d. h., es hat keinen elektrischen Widerstand mehr und magnetische Feldlinien „frieren” ein. Dadurch ist es möglich, einen Dauermagneten über ihm schweben zu lassen. Versetzt man den Magneten zusätzlich in Rotation, dreht sich dieser sehr lange, da er lediglich die Luftreibung erfährt.

In unserem vorherigen Beitrag haben wir euch den Supraleiter und seine Reaktion auf Magnetismus bereits gezeigt. Heute wollen wir euch die Supraleiter-Eisenbahn vorstellen. Dazu wird der Supraleiter zunächst auf einen starken Magneten gestellt und dann mit flüssigem Stickstoff auf -196 °C gekühlt. Dabei werden die Magnetfeldlinien aus dem Supraleiter verdrängt und ihre Ausrichtung wird im Supraleiter „eingefroren”. Wenn dies in einem gewissen Abstand zum Magneten geschieht, bilden die Feldlinien einen Käfig um den Supraleiter und fangen diesen ein – der Supraleiter schwebt. Werden mehrere Magnete mit gleicher Polung zu einer langen Strecke zusammengefügt, kann der Supraleiter auf der Bahn quasi ohne Widerstand entlang gleiten.

Wenn man eine Rose in -196 °C kalten flüssigen Stickstoff taucht, gefriert das darin enthaltene Wasser. Die Rose wird hart und spröde. Schlägt man sie auf eine feste Oberfläche zerspringt diese in tausend Splitter, als wäre sie aus Glas. Nach kurzer Zeit tauen die Blütenblätter wieder auf und werden wieder weich.

In einer kleinen PET-Flasche befindet sich etwas warmes Wasser. Gibt man nun –196 °C kalten flüssigen Stickstoff hinzu, erwärmt sich dieser sehr schnell, da das Wasser aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität viel Energie bereitstellt. Beim Übergang in den gasförmigen Zustand vergrößert sich das Volumen des Stickstoffs um etwa das 700-fache. Da die Flasche verschlossen ist, steigt der Innendruck so stark an, bis sie schließlich mit einem lauten Knall zerberstet.

⚠️ Achtung: Solche Experimente dürfen ausschließlich mit geeigneten Schutzvorrichtungen, detaillierter Planung und von speziell eingewiesenen Personen durchgeführt werden.

Trifft flüssiger Stickstoff mit -196°C auf eine Oberfläche bei Raumtemperatur, beginnt er zu verdampfen. Dabei entsteht ein dünner stabiler Gasfilm unter den Stickstoff-Tropfen und lässt diese darauf schweben. Weil die Tropfen keinen direkten Kontakt zur Oberfläche habe, können sie sich quasi reibungslos bewegen und gleiten über die Oberfläche. Außerdem wirkt das Gas thermisch isolierend, sodass die Tropfen nur langsam verdampfen. Dasselbe passiert übrigens auch mit Wassertropfen auf einer sehr heißen Herdplatte – sie „tanzen“ auf einer eigenen Dampfschicht.

 Dieser Nagel bestehen aus Gummi und ist bei Raumtemperatur weich und biegsam. Kühlt man ihn mit –196 °C kaltem flüssigem Stickstoff, verliert er seine Biegsamkeit. Die Moleküle im Gummi werden in ihrer Beweglichkeit stark eingeschränkt – das Material wird hart und fest. In diesem Zustand lässt sich der Gummi-Nagel sogar mit einem Hammer in ein Holzbrett schlagen. Erwärmt er sich wieder, kehrt er in seinen ursprünglichen, weichen Zustand zurück. Dieser Prozess ist also reversibel und lässt sich beliebig oft wiederholen. 

Ein Stück Kreide wurde für kurze Zeit in flüssigen Stickstoff getunkt. Die feinen Poren der Kreide saugen den Stickstoff auf. In der Metallschale erwärmt sich der Stickstoff wieder und aus den Poren tritt der gasförmige Stickstoff aus. Auf der Unterseite der Kreide entsteht ein dünnes Gaspolster, das die Kreide über die Platte schweben lässt. Ein Tischhockey funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip, wobei dort von unten Luft zugeführt wird. Die weißen "Wolken" entstehen durch kondensierten Wasserdampf aus der Luft und machen das Ausströmen des Stickstoffs sichtbar. 

Ein Flummibesteht aus Gummi - also aus langen Polymerketten. Bei Raumtemperatur können sich diese Ketten zueinander bewegen und verschieben. Das macht den Flummi elastisch und gibt ihn seine besondere Eigenschaft gut springen zu können.
Kühlt man ihn jeodch mit flüssigem Stickstoff auf -196 °C ab, werden die Polymerketten in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt. Dadurch wird der Flummi hart und springt deutlich schlechter. Er springt weniger hoch und kommt schneller zur Ruhe.

Im Becherglas befinden sich etwas Spülmittel und warmes Wasser. Gibt man den –196 °C kalten flüssigen Stickstoff hinzu, verdampft er schlagartig und dehnt sich dabei auf etwa das 700-fache seines ursprünglichen Volumens aus. Das liegt daran, dass das Wasser aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität viel Wärme an den Stickstoff abgeben kann. Der entstehende gasförmige Stickstoff steigt durch das Seifenwasser auf, schäumt es auf und bildet einen eindrucksvollen Schaumberg.

Dieser Hut besteht aus Filz. Gibt man Wasser hinein, bleib es im Hut und tropft nicht hindruch. Ursauche ist die Polarität der Wassermoleküle. Durch ihre gewinkelte Bindungsstruktur besitzen sie ein elektrisches Dipolmoment - Wasser ist daher polar. Dudurch bleiben die Wassermoleküle an den Fasern des Hutes haften.
Anders verhält es sich mit flüssigem Stickstoff. Dessen Moleküle sind größer als die von Wasser, jedoch unpolar. Ohne diese Wechselwirkung mit den Fasern kann der Stickstoff ungehindert durch den Filzboden des Hutes hindurchfließen. Nach einiger Zeit sammelt sich Wasserdampf aus der Luft am Filzhut und es bilden sich kleine weiße Eiskristall an der Außenseite.

Dieser Tischtennisball ist so präpariert, dass er auf den gegenüberliegenden Seiten auf dem Äquator ein schräges Loch hat. Der Ball wird in -196 °C kalten, flüssigen Stickstoff getunkt und dabei gelangt etwas von dem Stickstoff in den Ball. Legt man ihn dann auf einen ca. 20 °C warmen Tisch verdampft der Stickstoff und strömt durch die Löcher heraus. Da die Löcher gerichtet sind erhält der Ball einen Drehimpuls und beginnt zu rotieren. Der schwarze Pfeil auf der Oberseite visualisiert dies besonders gut. Ist der flüssige Stickstoff verdampft, kommt der Tischtennisball wieder zur Ruhe.

Viele kennen sie von Silvester: Wunderkerzen. Sie bestehen hauptsächlcih aus Bariumnitrat Ba(NO₃)₂ und Metallpulvern wie Eisen (Fe) und Aluminium (Al). Beim Abbrenen (~1100 °C) zerfällt das Bariumnitrat und setzt dabei Sauerstoff frei. Mit dem Sauerstoff können die Metallpulver dann mit heller Flamme verbrennen. Das Besondere ist, dass die Verbrennung also keinen Luftsauerstoff benötigt. Deshalb ist es sogar möglich die brennende Wunderkerze in -196 °C flüssigem Stickstoff zu tauchen ohne das sie erlischt.

Sauerstoff benötigen wir alle zum atmen. Kühlt man das Gas jedoch auf unter - 183 °C herunter, verflüssigt sich dieses. Wenn man flüssigen Stickstoff (LN2) in ein Gefäß gibt, kondensiert mit der Zeit flüssiger Sauerstoff an den Außenwänden, da der Stickstoff (-196 °C) den Sauerstoff aus der Luft verflüssigt. Diese kleinen Tropfen lassen sich sogar mit einem Magneten anziehen bzw. deren Flugkurve ablenken. Dies zeigt, dass flüssiger Sauerstoff paramagnetisch ist. Paramagnetische Stoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie auf externe Magnetfelder reagieren und von diesen angezogen werden. 
Entfernt man den Magneten fallen die Tropfen wieder gerade herunter, da sie nicht mehr durch das Magnetfeld abgelenkt werden.