Nicht einfach nur kaltes Wasser:
Forscher schaffen neue Form von Eis

Eis gilt gemeinhin als simples Naturphänomen. Fachleute sehen das allerdings ganz anders und unterscheiden bereits zwischen verschiedenen Phasen festen Wassers. Nun haben Forscher noch eine völlig neue Form von Eis herstellen können.

Ice XXI

Wasser gefriert bei null Grad Celsius und fertig ist das Eis, so erleben wir es im Alltag. Doch so einfach ist es nicht. In Wirklichkeit existieren zahlreiche kristalline Anordnungen von Wassermolekülen. Bisher waren 20 verschiedene Eisphasen bekannt, nummeriert mit römischen Ziffern von I bis XX. Nun hat ein internationales Forschungsteam eine bislang unbekannte Variante entdeckt: Ice XXI.

Die Entdeckung wurde im Fachjournal Nature Materials veröffentlicht und stammt von Wissenschaftlern des Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) in Zusammenarbeit mit europäischen Forschungseinrichtungen wie DESY in Hamburg. Um die neue Eisphase zu erzeugen, nutzten die Forschenden sogenannte Diamantstempelzellen, in denen winzige Wassermengen extremem Druck ausgesetzt werden. Innerhalb von nur zehn Millisekunden stieg der Druck auf bis zu zwei Gigapascal - das entspricht dem 20.000-Fachen des Atmosphärendrucks auf Meereshöhe.


Unter diesen Bedingungen bleibt Wasser zunächst flüssig, obwohl es eigentlich gefrieren sollte. Erst durch die weitere Kompression entsteht das neue Eis, das selbst bei Raumtemperatur stabil bleibt - allerdings nur für kurze Zeit. "Die schnelle Kompression erlaubt es, flüssiges Wasser in Druckbereiche zu bringen, in denen es eigentlich schon als Eis VI kristallisieren müsste", erklärt Studienmitautor Geun Woo Lee von KRISS. Welche Struktur sich letztlich bildet, hängt stark vom Grad der sogenannten Superkompression ab.

Röntgen-Beobachtung

Um die winzigen strukturellen Veränderungen sichtbar zu machen, nutzten die Forschenden hochmoderne Röntgenanlagen wie den European XFEL und die PETRA-III-Anlage in Hamburg. Mit ultrakurzen Röntgenblitzen, die im Millionstel-Sekunden-Takt aufgenommen wurden, konnten sie den Kristallisationsprozess in Echtzeit verfolgen. Die anschließende Strukturanalyse zeigte: Ice XXI besitzt eine tetragonale Kristallstruktur mit sogenannten Elementarzellen, die aus 152 Wassermolekülen bestehen.

Die Untersuchung solcher Hochdruck-Eisformen liefert nicht nur Erkenntnisse über die Eigenschaften von Wasser, sondern auch über die Zusammensetzung ferner Himmelskörper. "Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es weitere bislang unbekannte Eisphasen bei hohen Temperaturen geben könnte, möglicherweise auch auf Eismonden im äußeren Sonnensystem", so Rachel Husband vom DESY.


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