Wissenschaftler der Universität von Chicago haben Quantensimulationen durchgeführt, um das Verhalten von Wasser unter extremen Bedingungen im Erdmantel zu simulieren. Der Artikel der Forscher wurde in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht. Die wissenschaftliche Arbeit ist in einer Pressemitteilung zu EurekAlert! Zusammengefasst.
Bei ultrahoher Temperatur und ultrahohem Druck zeigt Wasser anomale Eigenschaften und befindet sich gleichzeitig in verschiedenen Phasen. Es kann flüssig sein, wenn die Temperatur des Mediums zehnmal höher als der Siedepunkt ist, und auch die Zeichen einer Flüssigkeit und eines Feststoffs kombinieren.
Wissenschaftler simulierten Bedingungen mit einem Supercomputer und erhöhten die Temperatur und den Druck der Umgebung, in der sich Wassermoleküle befinden, auf Werte, die 40-mal bzw. 100.000-mal höher sind als unter normalen Bedingungen. Es ist unmöglich, ein solches Experiment in einem Labor durchzuführen, da Wasser beginnt, chemische Reaktionen mit dem Gerätematerial einzugehen. Der Einfachheit halber untersuchten die Forscher nur eine kleine Anzahl von H2O-Molekülen, indem sie ihre Quantenzustände unter extremen Bedingungen untersuchten.
Forscher haben gezeigt, dass sich Wasser bei einer Temperatur von 1000 Kelvin (726 Grad Celsius) und einem Druck von 11 bis 20 Gigapascal (GPa) in einer flüssigen Phase befindet und schnell in Ionen dissoziiert, die sich sofort wieder vereinigen. Dieser Prozess wird unter Verwendung eines bimolekularen Mechanismus durchgeführt, wenn die kinetische Energie zweier Moleküle so hoch ist, dass sie bei einer Kollision zerfallen. Die resultierenden kurzlebigen Ionen spielen die Rolle von Ladungsträgern, was erklärt, warum die elektrische Leitfähigkeit von Wasser in solch einer extremen Umgebung um 6-7 Größenordnungen höher ist als unter normalen Bedingungen. In diesem Fall bleiben die Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen, die einen flüssigen Zustand bereitstellen, mindestens bei Drücken von bis zu 20 Gigapascal erhalten.
