Nachweis von superionischen Eiskristallen

Eis ist nicht gleich Eis. Die feste Form von Wasser kommt in mehr als einem Dutzend verschiedener – mal mehr, mal weniger kristalliner – Strukturen daher, je nachdem, welche Bedingungen aus Druck und Temperatur in der Umgebung herrschen. Super­ionisches Eis ist eine besondere kristalline Form, halb fest, halb flüssig – und elektrisch leitend. Ihre Existenz wurde auf Basis diverser Modelle vorhergesagt und bereits verschiedentlich unter – sehr extremen – Labor­bedingungen beobachtet. Die genauen Voraussetzungen für ihre Existenz werden unter Forschenden aber noch kontrovers diskutiert. Ein Team von Wissen­schaftlern um Vitali Prakapenka von der University of Chicago, dem auch Sergey Lobanov vom Geo­forschungs­zentrum Potsdam GFZ angehört, hat nun Struktur und Eigenschaften von zwei super­ionischen Eis-Phasen (Eis XVIII und Eis XX) vermessen.

Die Wissenschaftler brachten Wasser in einer laserbeheizten Diamant-Stempelzelle auf extrem hohe Drücke und Temperaturen. Dabei wurden die Proben hinsichtlich Struktur und elek­trische Leit­fähigkeit untersucht. Die Ergebnisse liefern ein weiteres Puzzle-Teil im Spektrum der Erscheinungs­formen von Wasser. Und können möglicher­weise auch dazu beitragen, die ungewöhnlichen Magnetfelder der stark wasser­haltigen Planeten Uranus und Neptun zu erklären.

Druck und Temperatur spannen den Raum für das Phasendiagramm eines Stoffes auf: In Abhängigkeit dieser beiden Parameter werden hier die verschiedenen Erscheinungs­formen von Wasser und die Übergänge zwischen fest, gasförmig, flüssig und hybriden Zuständen verzeichnet – wie sie theoretisch vorher­gesagt werden oder bereits im Experiment nachgewiesen wurden. Je höher Druck und Temperatur, desto schwieriger sind solche Experimente. Und so weist das Phasen­diagramm von Wasser – mit Eis als dessen fester Phase – in den extremen Bereichen noch etliche Ungenauigkeiten und Unstimmig­keiten auf. „Wasser ist eigentlich eine relativ simple chemische Verbindung aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoff­atomen. Dennoch ist es mit seinem vielfach unge­wöhnlichen Verhalten immer noch nicht gänzlich verstanden. Hier kommen grundlegende physikalische und geowissen­schaftliche Interessen zusammen. Denn Wasser spielt für viele Planeten auch im Inneren eine wichtige Rolle. Nicht nur bezüglich der Entstehung von Leben und Landschaften, sondern – im Falle der stark wasser­haltigen Gasplaneten Uranus und Neptun – auch für die Entstehung von deren unge­wöhnlichem planetaren Magnetfeld“, sagt Sergey Lobanov, Geophysiker am GFZ. 

Sergey Lobanov gehört zum Team um Vitali Prakapenka und Nicholas Holtgrewe, beide von der University of Chicago, sowie Alexander Goncharov von der Carnegie Institution of Washington. Sie haben den Phasen­raum von Wasser nun in seinen Extremen weiter vermessen. Mit laser­beheizten Diamant-Stempel­zellen – von der Größe einer Computer-Maus – haben sie hohe Drücke bis zu 150 Gigapascal und Temperaturen von bis zu 6500 Kelvin erzeugt. In dem winzigen Probenraum – das Volumen entspricht ein Würfel von nur rund zwei Hundertstel Millimeter Kantenlänge – herrschen dann Bedingungen, wie sie einige im Inneren von Neptun oder Uranus in einigen Tausend Kilometern Tiefe vorkommen. Wie sich bei diesen Bedingungen die Kristall­struktur ändert, haben die Wissenschaftler mithilfe von Röntgen­beugung beobachtet. Dazu nutzten sie die extrem intensive Synchrotron-Röntgen­strahlung an der Advanced Photon Source (APS) des Argonne National Laboratory der University of Chicago. Eine zweite Serie von Experimenten am Earth and Planets Laboratory der Carnegie Institution of Washington nutzte optische Spektro­skopie, um daraus die eletrische Leitfähigkeit zu bestimmen.

Die Forscher haben aus Wasser bei Raum­temperatur durch Erhöhen des Drucks auf einige zehn Gigapascal zunächst Eis VII oder Eis X hergestellt. Bei konstantem Druck erhöhten sie dann durch Beschuss mit Laserlicht die Temperatur. Dabei beobachteten sie, wie sich die kristalline Eisstruktur verändert: Zunächst bewegten sich die Sauerstoff- wie die Wasserstoff­atome ein wenig um ihre fixen Positionen. Dann blieb nur noch der Sauerstoff fest und bildete ein eigenes kubisches Kristall­gitter. Bei steigender Temperatur ionisierte der Wasserstoff, gab also sein einziges Elektron ans Sauerstoff­gitter ab. Sein Atomkern – ein positiv geladenes Proton – sauste dann durch diesen Festkörper, der dadurch elektrisch leitend wird. Auf diese Weise entsteht ein Hybrid aus fest und flüssig: super­ionisches Eis. 

Seine Existenz wurde auf Basis diverser Modelle vorhergesagt und bereits verschiedentlich unter Labor­bedingungen beobachtet. Die Wissenschaftler konnten nun zwei superionische Eis-Phasen – Eis XVIII und Eis XX – erzeugen und identi­fizieren und die Druck- und Temperatur­bedingungen beschreiben, in denen sie stabil existieren. „Aufgrund ihrer ausgeprägten Dichte und erhöhten optischen Leitfähigkeit ordnen wir die beobachteten Strukturen den theoretisch vorher­gesagten superionischen Eisphasen zu“, erläutert Lobanov. Insbesondere der Phasen­übergang hin zu einer leitenden Flüssigkeit hat interessante Konse­quenzen für die offenen Fragen rund um das Magnetfeld von Uranus und Neptun, die vermutlich zu über sechzig Prozent aus Wasser bestehen. Das Magnetfeld ist insofern unge­wöhnlich, als es nicht – wie bei der Erde – quasi parallel und symmetrisch zur Rotations­achse verläuft, sondern schief und unzentriert liegt. Modelle zu seiner Entstehung gehen daher davon aus, dass es nicht – wie bei der Erde – durch Bewegung von flüssigem Eisen im Kern erzeugt wird, sondern durch eine leitende, wasserreiche flüssige Schicht im äußeren Drittel der beiden Planeten.

„Im Phasen­diagramm können wir Druck und Temperatur im Inneren von Uranus und Neptun einzeichnen. Dabei kann der Druck grob als Maß für die Tiefe im Inneren gelten. Anhand der von uns präziser vermessenen Phasen­grenzen sehen wir, dass in beiden Planeten etwa das obere Drittel flüssig ist, und im tieferen Inneren super­ionisches Eis existiert. Das bestätigt die Vorhersagen über den Ursprung des beobach­teten Magnetfelds“, resümiert Lobanov. Weitere Untersuchungen, um die innere Struktur und das Magnetfeld der beiden Gasplaneten noch besser aufzuklären, werden künftig auch am GFZ selbst gemacht, betont der Geophysiker. Hier gibt es neben den bereits verwendeten Diamant-Stempel­zellen sowohl das entsprechende Hochdruck­labor wie auch die hoch­empfindlichen spektro­skopischen Messgeräte.

GFZ Potsdam / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  V. B. Prakapenka et al.: Structure and properties of two superionic ice phases, Nat. Phys., online 14. Oktober 2021; DOI: 10.1038/s41567-021-01351-8
• Chemie und Physik der Geomaterialien, Deutsches Geoforschungszentrum GFZ, Potsdam
• Center for Advanced Radiations Sources, University of Chicago

Weitere Beiträge

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