Neuartige Form von Wasser nachgewiesen

Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden der Universität Rostock, der französischen CNRS-École Polytechnique und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf hat erstmals eine bislang unbekannte Form von superionischem Wasser nachgewiesen: Mit Röntgenlasern der Forschungsanlage European XFEL sowie der Linac Coherent Light Source (LCLS) am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in den USA ist es gelungen, eine exotische, elektrisch hoch leitfähige Phase zu entdecken, wie sie möglicherweise im Innern von Eisriesen wie Uranus und Neptun vorliegt.

Schema­ti­sche Dar­stel­lung der mikro­sko­pi­schen Struk­tur von super­ioni­schem Was­ser, in dem die Sauer­stoff-Atome ein fes­tes Kris­tall­git­ter bil­den, wäh­rend Was­ser­stoff-Ionen darin quasi frei be­weg­lich sind.

Quelle: Greg Stewart, SLAC

Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius und der Druck von Millionen Atmosphären: Superionisches Wasser entsteht nur unter extremen Bedingungen. Sie verwandeln Wasser in einen ungewöhnlichen Zustand, in dem Wasserstoffionen frei durch ein festes Gitter aus Sauerstoffatomen wandern.

Da diese Phase elektrischen Strom besonders gut leitet, wird sie mit der Entstehung der ungewöhnlichen Magnetfelder von Eisriesen in Verbindung gebracht. Aufgrund der großen Wassermengen im Inneren von Uranus und Neptun könnte superionisches Wasser sogar die häufigste Form von Wasser in unserem Sonnensystem sein.

Obwohl superionisches Wasser bereits in früheren Experimenten erzeugt wurde, blieb seine detaillierte Struktur bislang ungeklärt. Bisherige Studien deuteten darauf hin, dass sich die Sauerstoffatome in superionischem Eis entweder in einer kubisch-raum­zen­trier­ten oder einer kubisch-flächen­zen­trier­ten Struktur anordnen, also in zwei Varianten eines Würfelgitters.

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Die neue Studie zeichnet jedoch ein deutlich komplexeres Bild. Die Forschenden fanden heraus, dass superionisches Wasser eine Struktur bildet, die sowohl kubisch flächenzentrierte als auch hexagonal dichtgepackte Stapelungen kombiniert. Letztere entsprechen einer Schichtung eng aneinanderlegender Atome in sechseckigen Mustern und führen zusammen mit den kubischen Bereichen zu deutlichen Stapelfehlern. Anstatt sich in einer einzigen regelmäßigen Konfiguration zu ordnen, bilden die Sauerstoffatome eine hybride, fehlstrukturierte Abfolge – ein Muster, das nur durch hochpräzise Messungen an modernsten Röntgenlasern sichtbar gemacht werden kann.

Um diese Erkenntnisse zu gewinnen, führte das Team zwei Experimente durch: eine am Matter in Extreme Conditions (MEC)-Instrument am LCLS in den USA und eine weitere am HED-HIBEF-Instrument am European XFEL. Diese Anlagen ermöglichen es den Forschenden, Wasser auf Drücke von mehr als 1,5 Millionen Atmosphären zu komprimieren und auf Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius zu erhitzen – und gleichzeitig seine atomare Struktur innerhalb von Billionstel Sekunden aufzuzeichnen.

Die Ergebnisse, die mit fortschrittlichsten Simulationen übereinstimmen, zeigen, dass superionisches Wasser eine strukturelle Vielfalt aufweisen kann, die der von festem Eis ähnelt, das je nach Druck und Temperatur eine Vielzahl unterschiedlicher Kristallstrukturen ausbildet. Die Arbeit unterstreicht, dass Wasser – trotz seiner scheinbaren Einfachheit – unter extremen Bedingungen immer wieder neue und bemerkenswerte Eigenschaften offenbart. Zudem liefern die Befunde wertvolle Randbedingungen für verbesserte Modelle des Inneren und der Entwicklung von Eisriesen, die auch außerhalb unseres Sonnensystems sehr häufig sind. [U Rostock / HZDR / dre]