Wasser ist die wichtigste Flüssigkeit auf der Erde: Ohne Wasser gäbe es kein Leben. Und gleichzeitig ist Wasser einer der rätselhaftesten Stoffe des Universums. In fester Form als Eis kann es je nach Druck, Temperatur und Entstehungsbedingungen unterschiedliche Kristallstrukturen aufweisen – manche davon konnte man bislang nur theoretisch vorhersagen, aber nicht im Labor experimentell erzeugen. Nun hat ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Rostock, der französischen CNRS-École Polytechnique und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf erstmals die Struktur von superionischem Wasser entschlüsselt. Es nutzte dazu den europäischen Röntgenlaser XFEL bei Hamburg und den US-amerikanischen Röntgenlaser LNCS am Linear Accelerator Center in Stanford. Beide Einrichtungen erzeugen hochenergetische Strahlung mithilfe von Teilchenbeschleunigern. Die Gruppe berichtet davon im Fachmagazin »Nature Communications«.

Superionisches Wasser entsteht bei einem Druck von mehr als 150 Gigapascal – das entspricht etwa dem 1,5-Millionenfachen des Atmosphärendrucks – und Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius. Unter diesen Bedingungen spaltet sich das Wasser in negativ geladenen Sauerstoff und positiv geladenen Wasserstoff auf, die fortan getrennte Wege gehen. Während die Sauerstoffionen sich in einem festen Gitter anordnen, wandern die Wasserstoffionen – nackte Protonen – frei umher wie in einem Plasma. Da diese exotische Phase des Wassers elektrischen Strom besonders gut leitet, bringen Fachleute sie mit der Entstehung der ungewöhnlichen Magnetfelder von Uranus und Neptun in Verbindung. Aufgrund der großen Wassermengen, die im Inneren der beiden Eisriesen vermutet werden, könnte superionisches Wasser sogar die häufigste Wasserform in unserem Sonnensystem sein.

Obwohl es bereits in früheren Experimenten gelungen war, superionisches Wasser zu erzeugen, blieb seine innere Struktur bislang ungeklärt. Forschende nahmen an, dass sich die Sauerstoffatome in einer von zwei möglichen Kristallformen anordnen: entweder in einer kubisch-raumzentrierten oder in einer kubisch-flächenzentrierten Struktur. In beiden Fällen bilden die Sauerstoffatome ein Würfelgitter – entweder mit einem zusätzlichen Atom im Zentrum des Würfels oder mit einem zusätzlichen Atom in der Mitte jeder seiner Flächen.

Die neue Studie zeichnet nun ein wesentlich differenzierteres Bild. Demnach nimmt superionisches Wasser eine hybride Struktur an, die sowohl kubisch-flächenzentrierte als auch hexagonal dichtgepackte Stapelungen vereint. Letztere bestehen aus eng geschichteten Atomen, die sechseckige Muster bilden. Das Nebeneinander beider Anordnungen führt zu ausgeprägten Stapelfehlern im Kristallgitter. Statt einer einheitlichen, sich regelmäßig wiederholenden Struktur entsteht so eine fehlgeordnete Abfolge unterschiedlicher Schichten. Dieses komplexe Muster ließ sich nur mithilfe extrem präziser Messungen an modernsten Röntgenlasern sichtbar machen.

Die Ergebnisse verdeutlichen einmal mehr, dass Wasser trotz seiner scheinbaren Einfachheit unter extremen Bedingungen überraschend vielfältige Eigenschaften entwickeln kann. Zugleich liefern sie wichtige Anhaltspunkte für realistischere Modelle des Aufbaus und der Entwicklung von Eisriesen – einer Planetenklasse, die sowohl in unserem Sonnensystem als auch darüber hinaus weitverbreitet ist.