Gewöhnliches Wasser, unter gigantischem Druck komprimiert, hat gerade eine Eisform angenommen, die zuvor niemand im Labor beobachtet hatte.
Das Eis in unseren Gefriergeräten ist nur eine von vielen Möglichkeiten, wie sich Wassermoleküle anordnen können. Wenn der Druck stark ansteigt, verändern ihre Atome ihre Anordnung und neue feste Formen entstehen. Forschende haben nun eine neue Form beobachtet, die als Eis XXII bezeichnet wird. Ihre Bildung beginnt bei etwa 308 Gigapascal, also bei mehr als dem 3-Millionen-Fachen des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe.
Prinzip eines Hochdruckexperiments in einer Diamantstempelzelle, mit dem Durchgang eines Laserstrahls und von Röntgenstrahlen durch die Probe.
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Um einen solchen Wert zu erreichen, platzierte das Team eine winzige Probe zwischen zwei Diamantspitzen. Diese Vorrichtung konzentriert eine Kraft auf eine äußerst kleine Fläche. Anschließend verfolgten die Forschenden die Anordnung der Atome mithilfe sehr intensiver Röntgenstrahlen, die von einem Synchrotron erzeugt wurden. Eine weitere Technik, die auf Laserlicht basiert, ermöglichte es ihnen, die Veränderungen im Material zu erkennen.
Bevor dieser Druck erreicht war, hatte das Wasser längst aufgehört, unserem vertrauten Eis zu ähneln. Jenseits von etwa 70 Gigapascal nimmt es eine als Eis X bezeichnete Form an. Die Sauerstoffatome folgen darin einer sehr regelmäßigen Anordnung. Bei einer weiteren Erhöhung des Drucks stellten die Forschenden fest, dass diese Anordnung allmählich begann, sich zu verformen.
Dann ändern sich die Messwerte bei etwa 308 Gigapascal deutlich. Die von den Röntgenstrahlen erzeugten Signale weisen auf eine neue Anordnung der Atome hin. Eis X wird nun durch Eis XXII ersetzt. Die Experimente zeigen, dass diese neue Form mindestens bis etwa 340 Gigapascal stabil bleibt.
Vorgeschlagenes Phasendiagramm für Wasser bis 500 GPa.
Diese Umwandlung wurde seit fast drei Jahrzehnten erwartet. Berechnungen hatten vorhergesagt, dass die sehr symmetrische Anordnung von Eis X bei sehr hohem Druck schließlich einer weniger symmetrischen Struktur weichen würde. Die Messungen stimmen mit dieser Vorhersage überein. Nach Ansicht der Autoren ist Eis XXII außerdem die bislang experimentell beobachtete dichteste feste Form von Wasser.
Diese Drücke wirken im Maßstab der Erde maßlos, können aber im Inneren großer Planeten vorkommen. Das Wasser ist dort nicht nur einem hohen Druck ausgesetzt: Auch die Temperaturen können mehrere tausend Grad erreichen. Die möglichen Formen des Wassers zu kennen, hilft daher beim Erstellen realistischeren Modelle des Inneren von Riesenplaneten und bestimmter wasserreicher Welten.
Eis XXII sollte jedoch nicht als einfache, stark komprimierte Version eines Eiswürfels betrachtet werden. Bei diesen Drücken haben sich die Bindungen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff tiefgreifend verändert. Die Anordnung der Atome bestimmt insbesondere die Dichte und das Verhalten des Materials. Die Experimente liefern damit einen konkreten Bezugspunkt, um die Berechnungen zu prüfen, die verwendet werden, wenn die Bedingungen nicht direkt an großen Materiemengen reproduziert werden können.
Die nächste Grenze liegt noch viel weiter entfernt. Berechnungen sagen eine weitere Veränderung des Eises bei etwa 760 Gigapascal voraus, aber die derzeitigen Verfahren zur statischen Kompression erlauben es noch nicht, sie angemessen zu untersuchen. Die Forschenden wollen diese Experimente auch mit jenen verbinden, die durch schlagartige Kompression durchgeführt werden, bei der auf mehr als 2.000 °C erhitztes Wasser unter vergleichbaren Drücken andere Zustände annehmen kann.