(Alexander Nikitin/Moment/Getty Images) Nicht jedes Wassereis ist gleich. Im Inneren eingeschlossen variiert die Anordnung der Moleküle erheblich, abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen, unter denen sie sich bilden.
Wir kannten 18 dieser unterschiedlichen Eisphasen, von denen einige natürlich vorkommen, andere nur unter Laborbedingungen beobachtet wurden.
Vor drei Jahren veränderte ein Forscherteam eine der bestehenden Eisstrukturen und verwandelte sie in eine von ihnen benannte Form Eis β-XV . Jetzt haben Mitglieder dieses Teams seine genaue Kristallstruktur bestimmt, Fragen zu seiner Entstehung beantwortet und ihm die Bezeichnung Eis XIX gegeben.
Diese Entdeckung könnte uns helfen, besser zu verstehen, wie sich Eis unter fremden Bedingungen bildet und verhält, die sich stark von denen auf der Erde unterscheiden.
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. Dieses wird Eis I genannt und seine Sauerstoffatome sind in einem sechseckigen Gitter angeordnet. Die Struktur ist jedoch geometrisch frustriert , wobei die Wasserstoffatome viel ungeordneter sind.
Wenn Eis I auf eine bestimmte Weise abgekühlt wird, können zusätzlich zu den Sauerstoffatomen auch die Wasserstoffatome periodisch geordnet werden. Auf diese Weise können Wissenschaftler in einem Labor verschiedene Eisphasen erzeugen, die viel geordnetere kristalline Molekülgitter aufweisen als ihre ungeordneten Ausgangsformen.
Ein Team physikalischer Chemiker an der Universität Innsbruck in Österreich arbeitet seit einiger Zeit mit dem Phase Eis VI . Dies ist eine der Formen von Eis, die in der Natur vorkommen, jedoch nur unter sehr hohen Drücken, die 10.000 Mal höher sind als der atmosphärische Druck auf Meereshöhe (etwa 1 Gigapascal), wie sie im Erdmantel herrschen oder um den Kern der Erde gewickelt sind Saturnmond Titan .
Eis VI ist wie Eis I relativ ungeordnet. Seine wasserstoffgeordnete Form, Eis XV, war nur vor etwa einem Jahrzehnt entdeckt . Es entsteht durch Abkühlung des Eises auf unter 130 Kelvin (-143 Grad Celsius, -226 Grad Fahrenheit) bei Drücken von etwa 1 Gigapascal.
Durch die Veränderung dieses Prozesses schufen die Forscher vor einigen Jahren eine weitere Eisphase. Sie verlangsamten die Abkühlung, senkten sie auf unter 103 Kelvin und erhöhten den Druck auf 2 Gigapascal. Dadurch entstand eine zweite Anordnung von Wasserstoffmolekülen, die sich von Eis XV unterschied und das Eis als β-XV bezeichnete.
Die Bestätigung, dass es sich bei dem Eis um eine separate Phase handelte, stellte eine weitere Hürde dar und erforderte, dass das normale Wasser durch „schweres“ Wasser ersetzt wurde. Normaler Wasserstoff hat im Kern keine Neutronen. Schweres Wasser hingegen basiert auf Deuterium, einer Form von Wasserstoff, die ein Neutron im Kern besitzt.
Um die Anordnung der Atome in einem Kristallgitter herauszufinden, müssen Wissenschaftler Neutronen von Kernen streuen, damit normale Wasserstoffatome es nicht durchschneiden.
„Leider ändert sich dadurch auch der Zeitrahmen für die Bestellung im Eisherstellungsprozess“, sagte der Physikochemiker Thomas Loerting der Universität Innsbruck.
„Aber Ph.D. „Student Tobias Gasser hatte dann die entscheidende Idee, dem schweren Wasser ein paar Prozent normales Wasser hinzuzufügen – was die Bestellung immens beschleunigte.“
Dadurch konnte das Team die Neutronendaten erhalten, die es zum Zusammensetzen der Kristallstruktur benötigte. Ihrer Meinung nach unterschied es sich von Eis XV, was ihm einen offiziellen Platz als neunzehnte bekannte Phase, Eis XIX, einbrachte.
Dies macht das Paar zu Geschwisterphasen – den ersten bekannten, die die gleiche Sauerstoffgitterstruktur, aber unterschiedliche Anordnungen der Wasserstoffatome aufweisen.
„Das bedeutet auch, dass es nun erstmals möglich sein wird, den Übergang zwischen zwei geordneten Eisformen im Experiment zu realisieren“, sagte Lörting .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .