Zwischen fest und flüssig:
Forscher analysieren seltsames Wasser

Wasser ist nicht immer das vertraute H₂O, das wir aus Alltag und Labor kennen. Unter extremen Bedingungen kann es seltsame Formen annehmen, wie beispielsweise das "superionische Eis". Dieses wurde von Forschern jetzt im Detail untersucht.

Zustand in Eisriesen

Auf der Erde kommt diese Form des Wassers außerhalb von Laboren eher nicht vor, auf anderen Planeten hingegen schon. Man findet sie aber im Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun. Ein internationales Forschungsteam hat nun mithilfe ultrastarker Röntgenlaser die bislang präzisesten Einblicke in das superionische Eis gewonnen. In diesem exotischen Zustand bleiben die Sauerstoffatome an feste Gitterpunkte gebunden, während Wasserstoffionen frei hindurchfließen. Das Ergebnis ist ein paradoxes Nebeneinander von Feststoff und Flüssigkeit.

Um diesen Zustand überhaupt nachstellen zu können, wurden winzige Wasserschichten zwischen Diamantplatten eingeklemmt und mit intensiven Laserimpulsen beschossen. So stiegen Druck und Temperatur in Bereiche, die 1,8 Millionen Mal über dem Atmosphärendruck der Erde liegen und mehrere Tausend Grad erreichen. Mit extrem kurzen Röntgenpulsen, nur 50 Femtosekunden lang, gelang es den Forschern, die Struktur des Wassers zu "fotografieren", bevor sie sich wieder verändern konnte.


Dabei zeigte sich: Das Sauerstoffgitter bleibt keineswegs geordnet, wie frühere Modelle vermuten ließen. Stattdessen bildet es eine Mischstruktur aus zwei konkurrierenden Kristallformen, die nahezu gleich viel Energie kosten und daher nebeneinander bestehen können. Dieses Nebeneinander erklärt, warum frühere Studien teils widersprüchliche Ergebnisse lieferten: je nach Druck und Temperatur dominierte mal die eine, mal die andere Anordnung.

Enorme Drücke

Ab etwa 150 Gigapascal setzt sich jedoch eine der beiden Strukturen weitgehend durch, jedoch durchzogen von Schichten, die in einem abweichenden Muster gestapelt sind. Rund ein Viertel der Kristallebenen weicht vom erwarteten Aufbau ab. Simulationen auf Basis quantenmechanischer Modelle reproduzierten diese Unregelmäßigkeiten nahezu identisch, was den experimentellen Befund untermauert.

Die Erkenntnisse haben Bedeutung weit über die Labors hinaus. Uranus und Neptun bestehen in ihren Tiefen wahrscheinlich größtenteils aus superionischem Wasser. Die ungewöhnliche magnetische Ausrichtung dieser Planeten - ihre Magnetfelder sind geneigt und nicht zentriert - könnte mit der Beweglichkeit der Wasserstoffionen in den unregelmäßigen Sauerstoffgittern zusammenhängen. Ob die beobachtete Unordnung stabil ist oder nur kurzfristig auftritt, bleibt offen. Klar ist jedoch: Die neue Studie bringt Ordnung in jahrelange Debatten und liefert Bausteine für präzisere Modelle des Inneren ferner Welten.


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