Eis in jeder Form

Wasser ist im festen Zustand höchst wandelbar - jetzt haben Forscher sogar eine Legierung aus Wassermolekülen entdeckt

Demnächst steht Autofahrern ohne Garage vor dem Weg zur Arbeit wieder eine lästige Prozedur bevor: Wer ab und an einen Blick auf den Verkehr werfen will, muss die Scheiben wohl oder übel von der Eisschicht befreien. Vielleicht hilft dabei ja das Wissen, dass derart geprüfte Fahrzeugbesitzer jede Menge Glück im Unglück haben - denn sie haben es nur mit Eis Ih zu tun. Das ist die Normalform gefrorenen Wassers – „Eis Eins“ mit hexagonaler Kristallstruktur. Sie bildet sich unter Bedingungen, die uns bekannt sind: Normaldruck und Temperaturen unter 0 Grad Celsius.

Sie ist aber bei weitem nicht die einzige Form, in der Eis auftreten kann. Im Normalfall hält sich der Hauptbeschuldigte der Dihydrogen-Monoxid-Verschwörung dabei an die von Bernal, Fowler und Pauling vorgeschlagenen "Eis-Regeln". In diesem Zustand sind die Wasserstoffatome in einer asymmetrischen Form über das Sauerstoffatom miteinander verbunden.

Auch andere Stoffe weisen übrigens diesen Polymorphismus auf – man denke nur an die doch recht unterschiedlichen Kohlenstoff-Formen Graphit und Diamant. Eis jedoch ist geradezu ein Verwandlungskünstler: Heute sind mindestens 15 stabile und metastabile Formen bekannt. Diese kommen sogar in der Natur vor – zum Beispiel auf dem Jupitermond Ganymed. Womöglich müssen wir auch gar nicht so weit fliegen, um das dort vorkommende Eis VII zu finden: Forscher vermuten, dass Wasser in kristalliner Form als Eis VII in die Erdkruste abtaucht;;http://www.wissenschaft-online.de/abo/ticker/349849.

Wenn der Druck sinkt, bilden sich in der Eis-Legierung Wasserstoff- und Sauerstoffblasen (Foto: Wendy Mao)

Nur ein Teil der Eisarten ist kristalliner Natur. Unter den nicht-kristallinen Formen ist wohl das Wasser-Glas am interessantesten: In dieser amorphen Form sieht das Eis aus wie eine Flüssigkeit – die Moleküle liegen völlig ungeordnet durcheinander. Allerdings lassen sie sich nicht gegeneinander verschieben, auch amorphes Eis ist fest. Es ähnelt in diesem Zustand sehr dem einfachen Fensterglas, das ebenfalls ein Festkörper ist. Die Kristallbindung wird in Gläsern durch eine Art Netzwerkbindung ersetzt, wobei sich die Forschung bis heute nicht völlig klar darüber ist, wie genau hier Bindungen mittlerer Reichweite funktionieren.

Unter extremen Bedingungen ist sogar Schluss mit der Asymmetrie im Eis. Das hat die Wissenschaft schon lange vermutet, aber erst Ende der 90er tatsächlich zeigen können. Im „Eis X“ wissen die Wasserstoffatome gewissermaßen nicht mehr, zu welchem Sauerstoffatom sie gehören. Eis X ist damit sogar elektrisch leitfähig.

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science zeigt nun ein Forscherteam aus den USA und Taiwan, wie es ihm gelang, Eis in eine Legierung zu verwandeln (doi:10.1126/science.1132884). Die Wissenschaftler rund um Wendy Mao mussten allerdings dazu ein ganzes Arsenal physikalischer Technik auffahren: Sie setzten H2O einem Druck von über 15 Gigapascal aus (das ist das 150.000-fache des Atmosphärendrucks) und beschossen es währenddessen mit mittelhochenergetischer Röntgenstrahlung (rund 10 keV).

Erste Ergebnisse waren bereits ab 2,5 Gigapascal zu beobachten: die Wassermoleküle lösten sich offenbar auf. Stattdessen fanden die Forscher Sauerstoff- und Wasserstoff-Moleküle, die sich zu einer Legierung verbunden hatten. Das ist deshalb ungewöhnlich, weil zum Auftrennen der Bindung zwischen Wasserstoff- und Sauerstoffatomen normalerweise sehr viel Energie aufgewendet werden muss.

Der entstandene Stoff erwies sich als erstaunlich stabiler, kristalliner Festkörper. Jedenfalls solange der Druck nicht nachließ. Bei unter einem Gigapascal lösten sich allmählich Gasblasen mit Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisch aus ihm, während sich die Legierung bei Temperaturen über 700 Kelvin allmählich in Eis-VII verwandelte. (Matthias Gräbner)

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