Der Diamantamboss wurde zum Zerdrücken der Probe verwendet. (Chris Higgins/UNLV) In flüchtigen Übergängen zwischen Phasen bei hohen Drücken wurde eine neue kristalline Form von Wassereis entdeckt.
Es heißt Ice-VII T , und es findet statt, wenn die Substanz zwischen zwei bereits bekannten kubischen Anordnungen von Molekülen gleitet. Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass Ice-VII T Würde das Wasser auf natürliche Weise auf der Erdoberfläche auftauchen, könnte es mehr darüber verraten, wie sich Wasser auf riesigen außerirdischen Welten verhält.
Wir denken vielleicht, dass es alltäglich ist, aber Wasser ist es eigentlich ziemlich seltsam im Vergleich zu anderen uns bekannten Flüssigkeiten. Die Anordnung der Moleküle in der gefrorenen Form des Wassers – Eis – kann je nach den Umgebungsbedingungen erheblich variieren.
Wir kennen mindestens 19 dieser festen Eisphasen, von denen einige natürlich vorkommen, andere nur unter Laborbedingungen beobachtet wurden.
Das Eis, das Sie im Gefrierschrank sehen oder als Schneeflocken oder Hagelkörner vom Himmel fallen, ist das am häufigsten vorkommende natürliche Eis auf der Erde. Es heißt Ice-I und enthält Sauerstoffatome, die in einem sechseckigen Gitter angeordnet sind. Die Struktur ist jedoch geometrisch frustriert , wobei die Wasserstoffatome ungeordnet herumhängen.
Wenn Physiker Ice-I auf unterschiedliche Temperaturen abkühlen und unterschiedliche Drücke darauf anwenden, können die darin enthaltenen Wasserstoff- und Sauerstoffatome periodisch unterschiedliche Anordnungen annehmen und sich manchmal sogar noch ordentlicher anordnen. Diese verschiedenen Formen von Wassereis sind nicht immer stabil, aber wir können sie im Labor untersuchen, um ihre merkwürdigen molekularen Strukturen aufzudecken.
Zwei dieser Phasen mit kubischen Strukturen sind Ice-VII mit ungeordnetem Wasserstoff und Ice-X mit symmetrischer Struktur. Diese können erreicht werden, indem Eis hohen Drücken ausgesetzt wird, die Zehntausende bis Hunderttausende höher sind als der atmosphärische Druck der Erde auf Meereshöhe, Ice-VII sogar noch niedrigere Drücke als Ice-X.
Um die Übergänge zwischen Eisphasen zu untersuchen, führte ein Team von Physikern unter der Leitung von Zach Grande von der University of Nevada, Las Vegas, Experimente auf Hochdruckeis durch und verwendete dabei eine neue Technik, um die Eigenschaften des Eises bei Druckausübung zu messen.
Die Forscher drückten eine Wasserprobe in einen Diamantamboss und zwangen sie, zu einem Durcheinander von Kristallen zu gefrieren. Mithilfe von Lasern wurde die Probe dann erhitzt, wodurch sie schmolz, bevor sie wieder zu einer pulverförmigen Ansammlung von Kristallen erstarrte, wie die Forscher beschrieben.
Durch schrittweises Erhöhen des Drucks im Amboss und periodische Laserstöße erzeugten die Forscher Ice-VII und beobachteten den Übergang zu Ice-X. Zwischendurch beobachteten sie dank ihrer neuen Messtechnik auch die neue Zwischenphase Ice-VII T .
In dieser Phase wird das kubische Gitter von Ice-VII entlang eines seiner Vektoren gestreckt, sodass sich die Struktur zu einer rechteckigen Anordnung mit kubischer Grundfläche ausdehnt, bevor sie sich in die symmetrische, vollständig geordnete kubische Anordnung von Ice-X einfügt. Diese Anordnung ist bekannt als tetragonal .
Das Team zeigte außerdem, dass sich Ice-X bei viel geringeren Drücken bilden kann als bisher angenommen. Ice-VII bildet sich ab ca 3 Gigapascal ; das heißt, 30.000 Atmosphärendruck. Den Beobachtungen des Teams zufolge erfolgt der Übergang zu Ice-VI bei etwa 5,1 Gigapascal.
Frühere Berichte haben den Übergangsdruck für Ice-X auf 40 bis 120 Gigapascal geschätzt. Allerdings beobachteten Grande und sein Team den Übergang zwischen Ice-VII T und Ice-X tritt bei etwa 30,9 Gigapascal auf.
Dies, so das Team, sollte dazu beitragen, die Debatte über den Übergangsdruck von Ice-X zu lösen.
„Zachs Arbeit hat gezeigt, dass diese Umwandlung in einen ionischen Zustand bei viel, viel niedrigeren Drücken erfolgt als jemals zuvor angenommen.“ sagte der Physiker Ashkan Salamat der University of Nevada, Las Vegas.
„Es ist das fehlende Teil und die genauesten Messungen, die jemals auf Wasser unter diesen Bedingungen durchgeführt wurden.“
Das Team sagte, dies könnte wichtige Auswirkungen auf die Untersuchung der inneren Bedingungen anderer Welten haben. Sie sagten, wasserreiche Planeten außerhalb des Sonnensystems könnten Ice-VII haben T in Hülle und Fülle, was sogar die Chance auf Bedingungen erhöht, die für die Entstehung von Leben geeignet sind.
Die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Körperliche Untersuchung B .