Kürzlich traf einer der leistungsstärksten Laser der Welt im Laserenergielabor in Brighton, New York, auf einen Wassertropfen und erzeugte eine Stoßwelle, die den Druck in diesem Wasser auf Millionen von Atmosphären und die Temperatur auf Tausende von Grad erhöhte. Die Röntgenstrahlen, die in demselben Sekundenbruchteil durch diesen Tropfen gingen, zeigten der Menschheit den ersten Blick auf Wasser unter solch extremen Bedingungen. Sie zeigten, dass das Wasser in der Stoßwelle keine überhitzte Flüssigkeit oder kein überhitztes Gas wurde. Nein, das Wasser ist gefroren.
Paradoxerweise gefroren Wasseratome und bildeten kristallines Eis. Wie die Physiker jedoch erwartet hatten, blinzelten sie auf die Bildschirme im Nebenzimmer.
"Sie hören einen Schuss und im selben Moment sehen Sie, dass etwas Interessantes passiert ist", sagt Marius Millo vom Livermore National Laboratory. Lawrence, der das Experiment mit Federica Coppari durchführte.
Was passiert mit Wasser bei hohem Druck und hoher Temperatur?
Die Ergebnisse dieser Arbeit, die diese Woche in Nature veröffentlicht wurde, bestätigen die Existenz von "superionischem Eis", einer neuen Wasserphase mit bizarren Eigenschaften. Im Gegensatz zu dem bekannten Eis im Gefrierschrank oder am Nordpol ist superionisches Eis schwarz und heiß. Ein Würfel dieses Eises wog das Vierfache des üblichen Gewichts. Seine Existenz wurde erstmals vor über 30 Jahren vorhergesagt, und obwohl es noch nie zuvor gesehen wurde, glauben Wissenschaftler, dass es eine der am häufigsten vorkommenden Arten von Wasser im Universum ist.
Selbst im Sonnensystem liegt der größte Teil des Wassers wahrscheinlich in Form von superionischem Eis vor - im Darm von Uranus und Neptun. In den Ozeanen der Erde, Europas und Enceladus gibt es mehr davon als flüssiges Wasser. Die Entdeckung des superionischen Eises könnte alte Rätsel um die Zusammensetzung dieser "Eisriesen" lösen.
Wissenschaftler haben bereits achtzehn erstaunliche Eiskristallarchitekturen entdeckt, einschließlich der hexagonalen Anordnung von Wassermolekülen in regulärem Eis (Ih). Nach Eis-I, das in zwei Formen vorliegt, Ih und Ic, sind die übrigen Formen in der Reihenfolge der Öffnung von II bis XVII nummeriert. Ja, "ice-9" existiert tatsächlich, aber seine Eigenschaften sind überhaupt nicht die gleichen wie in Kurt Vonneguts Roman "Cat's Cradle".
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Superionisches Eis kann Anspruch auf den Eis-XVIII-Mantel erheben. Dies ist ein neuer Kristall, aber eines ist drin. Alle bisher bekannten Wassereis bestehen aus intakten Wassermolekülen, bei denen ein Sauerstoffatom an zwei Wasserstoffatome gebunden ist. Aber superionisches Eis ist, wie neue Messungen zeigen, nicht so. Es existiert in einer Art surrealem Glied, halb fest, halb flüssig. Einzelne Wassermoleküle zerfallen. Sauerstoffatome bilden ein kubisches Gitter, aber Wasserstoffatome fließen frei aus und fließen wie Flüssigkeit durch eine starre Sauerstoffzelle.
Experten sagen, dass die Entdeckung von superionischem Eis Computervorhersagen rechtfertigt, die Materialphysikern helfen könnten, zukünftige Substanzen mit individuellen Eigenschaften herzustellen. Die Entdeckung dieses Eises erforderte ultraschnelle Messungen und eine präzise Kontrolle von Temperatur und Druck, was erst mit der Verbesserung experimenteller Methoden möglich wurde.
Die Physikerin Livia Bove vom französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung glaubt, dass dies nicht gerade eine neue Phase des Wassers ist, da Wassermoleküle zerfallen. "Es ist ein neuer Zustand der Materie, der ziemlich beeindruckend ist."
Eisrätsel
Physiker suchen seit vielen Jahren nach superionischem Eis - seit eine primitive Computersimulation von Pierfranco Demontes im Jahr 1988 vorausgesagt hat, dass Wasser diese seltsame, fast metallische Form annehmen würde, wenn es außerhalb der Karte bekannter Eisphasen gedrückt wird.
Die Modellierung hat gezeigt, dass unter starkem Druck und Hitze Wassermoleküle zerstört werden. Sauerstoffatome sind in einem kubischen Gitter gefangen und "Wasserstoff springt immer wieder von einer Position im Kristall zur anderen", sagt Millo. Diese Sprünge zwischen Gitterplätzen sind so schnell, dass sich die Wasserstoffatome - die ionisieren und im Wesentlichen zu positiv geladenen Protonen werden - wie eine Flüssigkeit verhalten.
Es wurde vermutet, dass superionisches Eis Elektrizität wie ein Metall leitet und Wasserstoff als Elektronen wirkt. Das Vorhandensein dieser freien Wasserstoffatome erhöht auch die Störung des Eises, seine Entropie. Die Zunahme der Entropie wiederum macht das Eis stabiler als andere Arten von Eiskristallen, wodurch sein Schmelzpunkt ansteigt.
Das alles ist leicht vorstellbar, es ist schwer daran zu glauben. Die ersten Modelle verwendeten eine vereinfachte Physik, die sich durch die Quantennatur realer Moleküle watete. Spätere Simulationen fügten weitere Quanteneffekte hinzu, umgingen jedoch die tatsächlichen Gleichungen, die zur Beschreibung der Wechselwirkung mehrerer Quantenkörper erforderlich sind, was zu schwer zu berechnen ist. Stattdessen stützten sie sich auf Annäherungen, was die Wahrscheinlichkeit erhöhte, dass sich dieses gesamte Szenario als Trugbild in der Simulation herausstellen würde. Experimente konnten unterdessen nicht den notwendigen Druck erzeugen und genug Wärme erzeugen, um diese starke Substanz zu schmelzen.
Und als alle dieses Unternehmen bereits aufgegeben hatten, äußerten Planetenwissenschaftler ihren eigenen Verdacht, dass das Wasser eine superionische Eisphase haben könnte. Ungefähr zur gleichen Zeit, als diese Phase erstmals vorhergesagt wurde, ging die Voyager 2-Sonde in das äußere Sonnensystem und entdeckte etwas Seltsames in den Magnetfeldern der Eisriesen Uranus und Neptun.
Die Felder um andere Planeten im Sonnensystem scheinen aus gut definierten Nord- und Südpolen ohne besondere andere Struktur zusammengesetzt zu sein. Es sieht so aus, als ob sie Stabmagnete enthalten, die an den Rotationsachsen ausgerichtet sind. Planetologen assoziieren dies mit "Dynamos": innere Regionen, in denen leitfähige Flüssigkeiten aufsteigen und sich drehen, während sich der Planet dreht, wodurch riesige Magnetfelder entstehen.
Im Gegensatz dazu sahen die von Uranus und Neptun ausgehenden Magnetfelder mit mehr als zwei Polen umständlicher und komplexer aus. Sie richteten sich auch nicht nahe an der Rotation ihrer Planeten aus. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, die für den Dynamo verantwortliche leitende Flüssigkeit auf eine dünne äußere Hülle des Planeten zu beschränken, anstatt sie in den Kern eindringen zu lassen.
Die Idee, dass diese Planeten feste Kerne haben könnten, die keine Dynamos erzeugen könnten, schien jedoch nicht realistisch. Wenn Sie durch diese Eisriesen bohren, erwarten Sie zunächst eine Schicht ionischen Wassers, die fließt, Ströme leitet und an einem Dynamo teilnimmt. Es scheint, dass noch tieferes Material auch bei höheren Temperaturen flüssig sein wird, aber das ist naiv. Planetenforscher haben einen Witz, dass der Darm von Uranus und Neptun überhaupt nicht fest sein kann. Aber es stellte sich heraus, dass sie es können.
Eis sprengen
Coppari, Millo und ihr Team setzen die Puzzleteile zusammen.
In einem früheren Experiment, das im Februar 2018 veröffentlicht wurde, erhielten Physiker Indizien für die Existenz von superionischem Eis. Sie drückten einen Tropfen Wasser von Raumtemperatur zwischen die spitzen Enden zweier geschliffener Diamanten. Als der Druck auf etwa einen Gigapascal anstieg, der etwa zehnmal höher ist als am Boden des Marianengrabens, verwandelte sich das Wasser in einen tetragonalen Kristall, Eis-VI. Bei 2 Gigapascal verwandelte es sich in Ice-VII, eine dichtere, kubische Form, die für das bloße Auge transparent ist. Wissenschaftler haben kürzlich entdeckt, dass sie auch in winzigen Taschen in natürlichen Diamanten vorhanden ist.
Dann verwendeten Millo und seine Kollegen einen OMEGA-Laser im Laser Energy Lab und zielten auf Ice-VII, das immer noch zwischen Diamantambossen eingeklemmt war. Wenn der Laser auf die Oberfläche des Diamanten traf, verdampfte er das Material nach oben, warf den Diamanten im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung und sandte eine Stoßwelle durch das Eis. Millos Team stellte fest, dass das superkomprimierte Eis bei etwa 4.700 Grad Celsius schmolz, wie es für superionisches Eis zu erwarten war, und dass es Elektrizität durch die Bewegung geladener Protonen leitete.
Nachdem Vorhersagen über die Bulk-Eigenschaften von superionischem Eis bestätigt wurden, hätte eine neue Studie von Coppari und Millo seine Struktur bestätigen müssen. Wenn Sie die kristalline Natur bestätigen möchten, benötigen Sie Röntgenbeugung.
Ihr neues Experiment vermisste Eis-VI und Eis-VII insgesamt. Stattdessen zerschmetterte das Team einfach das Wasser zwischen den Diamantambossen mit Laserschüssen. Milliardstel Sekunden später, als die Stoßwellen eindrangen und das Wasser zu Nanometer-Eiswürfeln kristallisierte, fügten die Wissenschaftler 16 weitere Laserstrahlen hinzu, um ein dünnes Stück Eisen neben der Probe zu verdampfen. Das resultierende Plasma überflutete das kristallisierende Wasser mit Röntgenstrahlen, die dann von den Eiskristallen gebeugt wurden und es dem Team ermöglichten, ihre Struktur zu unterscheiden.
Die Atome im Wasser haben sich in die lange vorhergesagte, aber nie zuvor gesehene Architektur Eis-XVIII umgeordnet: ein kubisches Gitter mit Sauerstoffatomen an jeder Ecke und in der Mitte jeder Fläche.
Und diese Art der erfolgreichen Kreuzvalidierung von Simulationen und echtem superionischem Eis lässt darauf schließen, dass der ultimative "Traum" der Forscher der Materialphysik bald verwirklicht werden könnte. „Sie sagen mir, welche Materialeigenschaften Sie benötigen, wir gehen zu einem Computer und finden theoretisch heraus, welches Material und welche Kristallstruktur Sie benötigen“, sagt Raymond Janlose, Wissenschaftler an der University of California in Berkeley.
Die neue Analyse deutet auch darauf hin, dass superionisches Eis zwar etwas Strom leitet, aber locker, aber fest ist. Es wird sich allmählich ausbreiten, aber es wird nicht fließen. So können die Flüssigkeitsschichten in Uranus und Neptun etwa 8000 Kilometer landeinwärts anhalten, wo ein riesiger Mantel aus instationärem superionischem Eis beginnt. Dies begrenzt die meisten Dynamoaktionen in flacheren Tiefen angesichts der ungewöhnlichen Felder der Planeten.
Andere Planeten und Monde im Sonnensystem haben wahrscheinlich nicht die Innentemperaturen und -drücke, die das Vorhandensein von superionischem Eis ermöglichen würden. Die Vielzahl der Exoplaneten von der Größe der Eisriesen lässt jedoch darauf schließen, dass diese Substanz - das superionische Eis - in Eiswelten in der gesamten Galaxie verteilt sein wird.
Natürlich wird kein Planet Wasser allein enthalten. Die Eisriesen in unserem Sonnensystem werden ebenfalls mit Methan und Ammoniak gemischt. Inwieweit superionisches Verhalten tatsächlich in der Natur seinen Platz findet, "hängt davon ab, ob diese Phasen existieren, wenn wir Wasser mit anderen Materialien mischen", sagen die Wissenschaftler. Es muss jedoch auch superionisches Ammoniak vorhanden sein.
Die Experimente gehen weiter. Glauben Sie, wir werden eines Tages herausfinden, was sich im Zentrum der größten Körper unseres Sonnensystems befindet?
Ilya Khel
