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Neue Form des Wassereises entdeckt

Tetragonale Variante des Eis-VII könnte im Erdmantel und auf Exoplaneten vorkommen

Hochdruck-Experiment
Durch eine Kombination aus Diamant-Hochdruckpresse und Laserbeschuss haben FOrshcer eine neue Kristallform des Wassereises entdeckt. © Chris Higgins

Exotisches Hochdruck-Eis: Forscher haben eine neue Variante des Wassereises entdeckt – Eis-VIIt. Diese Kristallform aus quaderförmig angeordneten Grundeinheiten entsteht bei einem Druck von rund fünf Gigapascal aus einer kubischen Kristallstruktur, wie Hochdruck-Experimente ergaben. Damit könnte diese Variante des Wassereises im oberen Erdmantel vorkommen, aber auch in der Kruste und im Mantel von wasserreichen Exoplaneten, wie die Wissenschaftler berichten.

Wasser ist ein ganz besonderer Stoff, denn sowohl in flüssiger wie in kristalliner Form zeigt dieses Molekül einige Eigenheiten. Dazu gehören neben der Dichteanomalie oder der Fähigkeit zur Eigendissoziation auch die Existenz von inzwischen rund 20 bekannten Wassereisformen. Bei diesen unterschiedet sich die Kristallstruktur je nach Druck und Temperatur erheblich – die Spanne reicht vom normalen hexagonalen Eis der Schneekristalle über quadratische Formen bis zu käfigartigen Strukturen.

Von der kubischen zur tetragonalen Kristallstruktur

Eine weitere Wassereis-Variante haben nun Forscher um Zachary Grande von der University of Nevada in Las Vegas entdeckt. Für ihr Experiment setzten sie eine Wassereisprobe in einer Diamantstempel-Presse einen immer stärkeren Druck aus. In regelmäßigen Abständen wurde die Probe mit einem Laderstrahl vorübergehend geschmolzen, um sie dann wieder unter den gerade herrschenden Druckbedingungen auskristallisieren zu lassen.

Es zeigte sich: Bei einem Druck von rund fünf Gigapascal geht das Wassereis von der schon bekannten, kubischen Kristallform Eis-VII in eine noch unbekannte Kristallstruktur über. Bei dieser tetragonalen Variante Eis-VIIt ordnen sich die Atome des Wassereises vorübergehend zu quaderförmigen Grundeinheiten an. Diese intermediäre Struktur von Wassereis wurde bislang noch nie beobachtet, wie Grande und seine Kollegen berichten.

Neues auch zu Eis-X

Die Hochdruck-Experimente enthüllten auch, dass eine andere, schon bekannte Eisform, das Eis-X, schon bei deutlich geringerem Druck entsteht als bislang angenommen. Dieses besonders druckstabile und harte Eis bildet sich demnach schon bei rund 30 Gigapascal – dem rund 300.000-fachen des atmosphärischen Drucks. Dieser Wert liegt fast um das Dreifache niedriger als zuvor angenommen, wie die Forscher berichten.

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„Dieses Ergebnis demonstriert, dass die Transformation in das ikonische Eis-X schon bei sehr viel geringeren Drücken stattfindet als man zuvor angenommen hat“, sagt Grandes Kollege Ashkan Salamat. „Das ist ein wichtiges, zuvor noch fehlendes Puzzleteil und stellt eine der bisher präzisesten Messungen von Wasser unter diesen Bedingungen dar.“

Relevant für Erdinneres und Exoplaneten

Relevant sind diese neuen Erkenntnisse zwar weniger für den Alltag und das von uns direkt beobachtbare Eis. Dafür spielen die verschiedenen Wassereisformen aber unter anderem für die Beschaffenheit und Prozesse im Erdinneren eine wichtige Rolle. Weil sich diese Wassereis-Varianten in ihren physikalischen Eigenschaften leicht unterscheiden, können sie Festigkeit, Verfügbarkeit und Reaktionen des Wassers in verschiedenen Tiefen prägen.

Nach Angaben von Grande und seinem Team könnte die neuentdeckte Eisform Eis-VIIt vorwiegend im oberen Erdmantel zu finden sein. Aber auch auf anderen Planeten oder Monden könnte dieses exotische tetragonale Eis vorkommen. Dort könnte Eis-VIIt einen Teil des Wassers in Kruste und oberem Mantel ausmachen. (Physical Review B, 2022; doi: 10.1103/PhysRevB.105.104109)

Quelle: University of Nevada, Las Vegas

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