Wir kennen Wasser als Dampf, Flüssigkeit oder Eis. Der letzte dieser drei Aggregatzustände ist bekanntlich kalt. Dabei handelt es sich allerdings nur um den Typ I der kristallinen Substanz. Bei dieser Version sind unter den irdischen Druckbedingungen und Temperaturen unter null Grad Celsius die Wassermoleküle in einem Gitter angeordnet, das durch Wasserstoffbrücken zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen zusammengehalten wird. Doch das ist nicht die einzige mögliche Version von Wassereis: Unter extremen Temperatur- und Druck-Bedingungen können sich verschiedene weitere Formen mit unterschiedlichen Merkmalen bilden.
Von besonderem Interesse ist dabei eine Form, die als superionisches Eis bezeichnet wird. Bei besonders extremen Umgebungswerten bildet sich dabei eine spezielle kristalline Struktur aus: halb fest, halb flüssig und elektrisch leitend. Die Existenz von superionischem Eis wurde auf Basis diverser Modelle vorhergesagt und seine Bildung wurde sogar bereits unter extremen Laborbedingungen beobachtet. Doch einige Aspekte der Entstehung dieser buchstäblich spannenden Wassereisform sowie bestimmte Merkmale blieben bisher unklar. Ein internationales Forscherteam ist den Mysterien des extremen Wasserzustands deshalb nun weiter nachgegangen.
Heißes „Quetsch-Eis“ im Labor
Die Wissenschaftler erzeugten dazu in sogenannten Diamant-Stempelzellen von der Größe einer Computer-Maus Drücke von bis zu 150 Gigapascal – etwa 1,5-millionenfachen Atmosphärendruck. Durch Laser wurde dabei Wasser in dem winzigen Probenraum auf Temperaturen von bis zu 6227 Grad Celsius gebracht. Wie die Forscher erklären, herrschten somit Bedingungen, wie sie im Inneren der Planeten Neptun oder Uranus in einigen Tausend Kilometer Tiefe vorkommen. Wie sich unter diesen Bedingungen die Kristallstruktur von H₂O ändert, haben die Wissenschaftler mithilfe von Röntgenbeugung beobachtet. Um die elektrische Leitfähigkeit zu bestimmen, kamen zudem Verfahren der optischen Spektroskopie zum Einsatz.
Wie die Forscher berichten, konnten sie im Verlauf der Experimente erfassen, wie sich die Struktur des Wassers veränderte. Zunächst bewegten sich demnach die Sauerstoff- sowie die Wasserstoff-Atome ein wenig um ihre fixen Positionen. Dann blieb nur noch der Sauerstoff derart stabil und bildete schließlich ein eigenes kubisches Kristallgitter aus. Bei weiter steigender Temperatur ionisierte der Wasserstoff und gab dabei sein Elektron an das Sauerstoffgitter ab. Der Atomkern – das positiv geladene Proton des Wasserstoffs – wurde dann innerhalb dieses Festkörpers beweglich. Dadurch entstand elektrische Leitfähigkeit, erklären die Wissenschaftler. Auf diese Weise bildete sich somit die Hybridversion aus fest und flüssig – das superionische Eis. Das Besondere war dabei: Die Forscher konnten nun zwei Kombinationen von Temperatur und Druck identifizieren, bei denen sich superionische Eisphasen bilden.
