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Wasser bildet unter Extremdruck unerwartet komplexes Eis
Eis unter Extremdruck: Bei rund 222 Gigapascal verliert stark zusammengepresstes Wasser offenbar die kubische Symmetrie seiner Kristallstruktur. Röntgenmessungen liefern Hinweise auf eine dichtere, bislang experimentell nicht belegte Eisphase mit verzerrtem Kristallgitter. Die Entdeckung könnte Modelle wasserreicher Planeten verbessern, auch wenn die dort herrschenden Temperaturen einen direkten Vergleich erschweren.
Las Vegas (U.S.A.). Eis ist keineswegs immer gleich aufgebaut. Je nach Druck und Temperatur können seine Wasserstoff- und Sauerstoffatome ganz unterschiedliche Kristallgitter bilden. Neben dem gewöhnlichen Eis gibt es zahlreiche Hochdruckformen des Wassers. Zu ihnen gehört Eis-X, dessen Atome bei sehr starker Kompression ein kubisches Gitter bilden.
Doch auch diese dichte Anordnung muss nicht das Ende der Entwicklung sein. Theoretische Berechnungen hatten schon länger nahegelegt, dass das Kristallgitter unter noch höherem Druck wieder an Symmetrie verlieren könnte. Bisher fehlten dafür jedoch belastbare Messungen im entsprechenden Druckbereich.
Forscher der University of Nevada, Las Vegas (UNLV) um Dr. Ashkan Salamat haben nun untersucht, wie sich festes Wasser bei Drücken von mehr als zwei Millionen Bar verändert. Dazu verbanden sie Hochdruckversuche mit Röntgenmessungen und Berechnungen der energetisch möglichen Kristallstrukturen.
Für ihre Experimente schlossen die Wissenschaftler winzige Wasserproben zwischen die Spitzen zweier Diamanten ein. In solchen Diamantstempelzellen lassen sich Drücke von mehreren Millionen Bar erzeugen. Ein intensiver Röntgenstrahl machte sichtbar, in welchen Abständen die Atome im zusammengepressten Eis angeordnet waren.
Bis zu einem Druck von rund 218 Gigapascal zeigten die Beugungsmuster noch das für Eis-X typische Signal. Bei 222 Gigapascal erschien jedoch eine zusätzliche Struktur im Röntgenbild. Bei etwa 230 Gigapascal ließ sie sich eindeutig als zweites Signal auflösen. Das spricht dafür, dass das kubische Gitter in eine andere, weniger symmetrische Struktur übergeht.
„Wasser unter Bedingungen jenseits der irdischen Verhältnisse verhält sich komplexer, als wir es uns jemals zuvor vorgestellt haben. Es ist erstaunlich, wie sich Wasser unter Druck verhalten kann“, erklärt Dr. Ashkan Salamat.
Das Ergebnis ist ungewöhnlich: Stärkerer Druck führt nicht zwangsläufig zu einem einfacheren, regelmäßigeren Kristallgitter. Stattdessen scheint sich die bisher kubische Struktur zu verzerren und dabei noch dichter zu werden. Genau das hatten verschiedene theoretische Modelle für extrem zusammengepresstes Eis vorausgesagt.
Welche Form dabei tatsächlich entsteht, ist allerdings noch nicht abschließend geklärt. Die Messdaten lassen sich sowohl mit einer orthorhombischen als auch mit einer tetragonalen Gitterstruktur vereinbaren. Berechnungen begünstigen die orthorhombische Variante namens Pbcm, doch die begrenzte Qualität der Röntgensignale erlaubt bislang keine eindeutige Zuordnung.
Auch die starken mechanischen Spannungen in der winzigen Probe erschweren die Auswertung. Die Forscher prüften deshalb, ob unterschiedliche Drücke innerhalb der Probe die Aufspaltung des Röntgensignals erklären könnten. Dafür wären jedoch unrealistisch große Druckunterschiede nötig. Das stützt die Deutung als echten Strukturübergang, ohne bereits jedes atomare Detail festzulegen.