Eis ist nicht gleich Eis

Abhängig von Druck und Temperatur bilden Wasser­moleküle unter­schiedliche Strukturen aus, insgesamt 17 kristalline Eis­formen ließen sich bisher nachweisen. Ein Team um den Innsbrucker Forscher Thomas Lörting hat nun eine weitere Eis­form entdeckt. Sobald die Kristall­struktur bestimmt ist, könnte es als Eis XVIII in die Lehr­bücher eingehen.

Während Eis I als Schnee und Eis auf der Erde zu finden ist, findet man auf der Ober­fläche unseres Planeten – außer in Forschungs­laboren – keine anderen Eisformen. Viele Eis­formen entstehen in den Weiten des Weltalls unter besonderen Druck- und Temperatur­verhältnissen. Eis VI wurde auf Himmels­körpern wie dem Jupiter­mond Ganymed indirekt nachgewiesen. Dort sorgen hunderte Kilometer dicke Eis­schichten für die notwendigen Druck­verhältnisse. Eis VI gibt es aber auch im Inneren der Erde, nämlich im oberen Erd­mantel in 200 bis 500 Kilometern Tiefe bei Temperaturen oberhalb von null Grad Celsius, wie Einschlüsse in Diamanten belegen.

Obwohl diese Eisform als kristallin bezeichnet wird, handelt es sich bei Eis VI eigentlich um einen frustrierten Kristall, weil hier nur die Sauerstoff­atome periodisch angeordnet sind, während die Wasserstoff­atome chaotisch orientiert sind. Wird Eis VI abgekühlt, so können sich auch die Wasserstoff­atome periodisch anordnen, und es entsteht eine neue, geordnete Eisform, genannt Eis XV. Für beinahe alle ungeordneten Eisformen wurden in der Vergangen­heit auch entsprechende geordnete Eis­formen nachgewiesen.

„Aus Eis VI hat Christoph Salzmann 2009 hier in Innsbruck erstmals die geordnete Eisform Eis XV hergestellt“, erzählt Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck. Durch einen veränderten Herstellungs­prozess ist es dem Team um Lörting nun gelungen, eine zweite geordnete Form für Eis VI zu erzeugen. Wie umfang­reiche Analysen zeigen, die gemeinsam mit dem Team um Roland Böhmer an der TU Dortmund durch­geführt wurden, weist diese Eisform eine neue Art von Ordnung auf. Noch ist es den Wissenschaftlern nicht gelungen, deren Kristall­struktur zu bestimmen. Sobald diese gefunden ist, könnte die neu entdeckte Form als Eis XVIII Eingang in die Lehr­bücher finden. Im Gegensatz zum bekannten Herstellungs­prozess haben die Innsbrucker Forscher die Abkühl­rate deutlich verlangsamt und den Druck auf rund 20 Kilobar erhöht.

Mit dieser Methode ist es erstmals gelungen, in einer gegebenen periodischen Anordnung der Sauerstoff­atome die Wasserstoff­atome in einer zweiten Art und Weise anzuordnen. „Mit unserer Methode ist es möglich, die Ordnung der Wasser-Dipole und damit die Eigen­schaften des Eises zu steuern. Die Dielektrizitäts­konstante dieser Eisformen kann sich zum Beispiel um das Hundert­fache unter­scheiden“, sieht Thomas Lörting auch Potential für die Material­wissenschaften.

Die atomare Struktur, insbesondere die genauen Positionen der Wasserstoff­atome, zu ermitteln ist nicht einfach, denn Wasser­stoff ist sehr leicht und lässt sich sowohl mit Röntgen- als auch Neutronen­beugungs­methoden nur sehr schwer eindeutig positionieren. Die Innsbrucker Chemiker wollen deshalb in Zukunft einen Trick anwenden und das gleiche Eis mit Wasser­molekülen aus Sauerstoff und Deuterium herstellen. Die exakten Positionen des Deuteriums im Kristall­gitter könnten mittels Neutronen­beugung nachgewiesen und so die Wasserstoff­ordnung in der neuen Eis­phase bestimmt werden. „Und mit unserem Know-how entstehen in den Laboren vielleicht bald schon viele weitere Abwandlungen von Wassereis“, blickt Thomas Lörting bereits in die Zukunft.

U. Innsbruck / DE