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Extremste Form von Wasser: Erstmals Eis-XVIII nachgewiesen

Die 18. Kristallstruktur des Wassers ist nur mit extremen Methoden herstellbar: Insgesamt 22 Hochenergielaser, eine Eisenfolie und zwei Diamanten benötigten Fachleute, um den exotischen Zustand dingfest zu machen.
Silbern glänzende Kugeln, eine davon blau, in einem kubisch-primitiven GitterLaden...

Eine Arbeitsgruppe vom Lawrence Livermore National Laboratory in den USA hat zum ersten Mal die bisher nur theoretisch vorhergesagte 18. Kristallstruktur von Wasser hergestellt. Diese als superionisches Eis bezeichnete Variante besteht nicht mehr aus Molekülen, sondern aus Ionen, und entsteht erst bei so extremen Bedingungen, dass viele Fachleute es schlicht für unmöglich hielten, den Stoff jemals im Labor herzustellen. Wie jedoch nun ein Team um den Physiker Marius Millot in »Nature« berichtet, geht es doch – allerdings nur mit äußerst rabiaten Methoden aus der Fusionsforschung. Mit sechs Hochenergielasern erzeugte die Arbeitsgruppe in einer dünnen Wasserschicht zwischen zwei Diamanten Stoßwellen, die Drücke von bis zu 460 Gigapascal und Temperaturen zwischen 2000 und 3000 Kelvin erzeugten. Gleichzeitig vermaß sie anhand des Beugungsmusters von Röntgenstrahlung die entstehende Kristallstruktur. Die Messungen bestätigten, dass das theoretisch vorhergesagte Kristallgitter aus Sauerstoff- und Wasserstoffionen entstand.

Gefrorenes Wasser ist ein sehr vielseitiger Festkörper: Je nach Druck, Temperatur und Entstehungsbedingungen bildet Eis unterschiedliche Kristallstrukturen oder auch Festkörper ohne jede Ordnung. Spannend wird es, wenn man Eis immer weiter zusammendrückt. Das Gitter aus Wasserstoffbrückenbindungen hält die Moleküle auf Abstand, so dass unser gewöhnliches Eis sogar weniger dicht ist als flüssiges Wasser und deswegen schwimmt. Wenn der Druck steigt, bricht diese Struktur nach und nach zusammen, so dass sich die Moleküle immer wieder umordnen müssen. Unter extremsten Drücken schließlich hören die Wassermoleküle auf, in ihrer bisherigen Form zu existieren, und zerfallen bei Bedingungen, wie sie im Inneren von Riesenplaneten herrschen, komplett in negativ geladene Sauerstoff- und positiv geladene Wasserstoffionen. Deswegen spekulieren Fachleute schon seit einer Weile, dass superionisches Eis im Inneren der Eisriesen Uranus und Neptun, aber auch ähnlichen Exoplaneten existieren könnte – damit läge vermutlich ein beträchtlicher Teil des Wassers im Universum in dieser Form vor.

Bereits 2018 stieß Millot mit seinem Team auf deutliche Indizien dafür, dass Eis-XVIII im Labor erzeugt werden kann. Doch um die exotische Struktur tatsächlich nachzuweisen, war ein sehr aufwändiges Vorgehen nötig. Mit einer Abfolge von jeweils nur 15 Nanosekunden langen Laserpulsen erzeugte die Arbeitsgruppe eine ganze Serie von Stoßwellen in der Wasserprobe, so dass die Bedingungen in der Probe möglichst einheitlich waren. Unter diesen Bedingungen kristallisierten nanometergroße Körnchen aus superionischem Eis; gleichzeitig feuerten 16 weitere Laser auf eine Eisenfolie und erzeugten einen intensiven Röntgenpuls, der an der Kristallstruktur der Körner gebeugt wurde. Dieser bestätigte, dass das entstandene Material die vorhergesagten Eigenschaften hat. Eis-XVIII ist quasi das Spiegelbild eines Metalls: Die Sauerstoffionen bilden, wie die Atome im Metall, ein festes Gitter, während um sie herum Wasserstoffionen frei fließen und Strom leiten können, wie es im Metall die Elektronen tun. Technische Anwendungen für das Material sind allerdings nicht in Sicht.

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