Wandel von Eiskristallen

  • 10. August 2018

Übergang von Eisphasen in einer Diamantpresszelle live beobachtet.

Eiswürfel im Kühlschrank oder Eiszapfen an der Dachrinne sind vertraute Alltags­beispiele für gefrorenes Wasser. Physi­kalisch gesehen, handelt es sich dabei um eine von insgesamt 17 bekannten Arten von Eis. Diese unter­scheiden sich durch ihre Kristall­strukturen und Entstehungsbedingungen und werden als Eisphasen bezeichnet. Forschern am Bayerischen Geo­institut BGI der Univer­sität Bayreuth ist es jetzt im Labor gelungen, einen vor mehr als vier Jahr­zehnten vorher­gesagten, doch bisher nie bewiesenen Übergang zwischen zwei Eisphasen zu erzeugen und zeitgleich zu beobachten.

Abb.: In dieser Diamantstempelzelle konnte der Übergang zwischen Eisphasen live verfolgt werden. (Bild: BGI / NPG)

Abb.: In dieser Diamantstempelzelle konnte der Übergang zwischen Eisphasen live verfolgt werden. (Bild: BGI / NPG)

Das Bayreuther Forscher­team um Thomas Meier hat eine winzige Wasser­probe in eine Diamant­stempelzelle eingesetzt und hier einem Kompressions­druck von bis zu einhundert Gigapascal ausgesetzt. Zunächst bildete sich die Eisphase VII, daraus entwickelte sich durch den weiter anstei­genden Druck die Eisphase X. Diesen Phasen­übergang konnten die Wissenschaftler live beobachten, weil Magnet­felder in den Diamantstempel­zellen eine zeitgleiche NMR-spektro­skopische Unter­suchung der Proben ermög­lichten.

Wie die Bayreuther Forscher herausfanden, spielen die Wasserstoff­brücken zwischen benachbarten Molekülen eine entscheidende Rolle beim Struktur­wandel von Eisphase VII zu Eisphase X. Der hohe Kompressions­druck bewirkt, dass Wasser­stoffatome in das unter Normal­bedingungen unzugäng­liche Zentrum der Wasserstoff­brücken gepresst werden. Die neuen Erkenntnisse sind ein Beispiel für das unge­wöhnliche Potenzial der Kombi­nation von Hochdruck­forschung und NMR-Spektro­skopie. Dadurch lassen sich theo­retische Berechnungen von Material­strukturen und ihrer Dynamik erstmals empirisch überprüfen und veri­fizieren.

Die so gewonnenen Erkennt­nisse können wegweisend für techno­logische Inno­vationen sein. Dies gilt auch für die Erforschung der Eisphasen. „Bislang galten theo­retische Berech­nungen und Model­lierungen der Kristall­strukturen, durch die sich die diversen Eisphasen unter­scheiden, als ein eher exotisches Gebiet der Physik. Doch wenn es jetzt dank unserer neuen Forschungs­technologie gelingt, diese Strukturen besser zu verstehen und sie mit hoher Präzision im Labor zu erzeugen, wird die Entwicklung von Quanten­computern möglicher­weise einige entscheidende Schritte voran­kommen“, erklärt Thomas Meier.

BGI / JOL

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