🧊 Entdeckung einer neuen Eisform: Wasser kann bei Raumtemperatur gefrieren

Die kürzliche Identifizierung einer neuartigen molekularen Struktur von Wasser, die bei Temperaturen nahe unserer Raumtemperatur, jedoch unter titanischem Druck stabilisiert wird, eröffnet unerwartete Perspektiven auf die Physik eisiger Körper im Sonnensystem. Dieser bedeutende Durchbruch stellt unsere klassische Wahrnehmung von wässriger Verfestigung in Frage.

Die Entdeckung dieser neuen festen Phase, genannt Eis XXI, ist das Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit, die Hightech-Instrumente nutzt. Die Wissenschaftler haben im Labor Drücke erzeugt, die mit denen in den Tiefen einiger außerirdischer Monde vergleichbar sind. Ihr Ziel war es, die strukturellen Übergänge von Wasser während ultraschneller Kompression und Dekompression zu kartieren. Dieser dynamische Ansatz ermöglichte die Beobachtung von Zwischenzuständen, die bisher unerreichbar waren, und wirft ein neues Licht auf die Kristallisationsmechanismen unter extremem Stress.

Die Geheimnisse einer ungewöhnlichen Kristallisation

Die experimentelle Methode beruhte auf dem kombinierten Einsatz von Diamantstempelzellen und dem europäischen Röntgenlaser XFEL. Die Forscher komprimierten Wasserproben auf fast zwanzigtausendfachen Atmosphärendruck in nur wenigen Millisekunden. Diese hohe Geschwindigkeit verhinderte die sofortige Bildung der erwarteten stabilen Phasen und ermöglichte es dem Wasser, in einem außergewöhnlichen Zustand der Überkompression flüssig zu bleiben.

Die strukturelle Analyse, die mit dem Synchrotron PETRA III durchgeführt wurde, enthüllte die einzigartige molekulare Organisation von Eis XXI. Seine elementare tetragonale Einheitszelle, die 152 Wassermoleküle umfasst, stellt eine Architektur dar, die unter den bekannten kristallinen Phasen ohne Beispiel ist. Diese Konfiguration entsteht spezifisch während des Übergangs zwischen überkomprimiertem Wasser und Eis VI und bleibt trotz ihres metastabilen Charakters vorübergehend erhalten. Ihre Persistenz bei Raumtemperatur stellt eine bemerkenswerte physikalisch-chemische Besonderheit dar.

Die Metastabilität dieser festen Phase deutet auf die potenzielle Existenz anderer, noch nicht erfasster transitorischer Kristallstrukturen hin. Die Forscher betonen, dass der von dem Wasser eingeschlagene Kristallisationsweg eng mit dem Grad der vor der Keimbildung erreichten Überkompression zusammenhängt. Diese in Nature Materials detailliert beschriebene Arbeit stellt fest, dass die strukturelle Vielfalt der Eise über den Rahmen niedriger Temperaturen hinausgeht und sich auch auf temperierte Druckumgebungen erstreckt.

Implikationen für die Eiswelten des Sonnensystems

Die Präsenz von Eis VI in den Tiefen einiger eisiger Monde wie Europa oder Ganymed wird von Planetologen seit langem in Betracht gezogen. Seine verformte molekulare Struktur könnte als Vorläufer für metastabile Phasen ähnlich wie Eis XXI dienen. Die Entdeckung dieser neuen Kristallkonfiguration stärkt die Hypothese, dass die Eismantel von Himmelskörpern eine unerwartete strukturelle Vielfalt beherbergen. Diese molekularen Anordnungen beeinflussen potenziell ihre thermischen und mechanischen Eigenschaften.

Die Bedingungen, die Eis XXI erzeugen, könnten natürlich in den subglazialen Ozeanen der natürlichen Satelliten von Jupiter und Saturn existieren. Konvektionsbewegungen und Druckvariationen in diesen abgeschlossenen Umgebungen würden teilweise das experimentelle Protokoll der Forscher reproduzieren. Die Präsenz metastabiler Phasen würde die Wärmeleitfähigkeit und die Rheologie der Eisschichten verändern und potenziell ihre interne Dynamik sowie den Energieaustausch mit dem darunterliegenden flüssigen Ozean beeinflussen.

Dieser Fortschritt eröffnet Perspektiven für die Interpretation der Daten zukünftiger Weltraummissionen. Die Sonde JUICE der Europäischen Weltraumorganisation, die derzeit auf dem Weg zum Jupiter ist, könnte Beobachtungen liefern, die mit der Existenz dieser ungewöhnlichen Phasen vereinbar sind. Das Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Eis XXI und seiner potenziellen Gegenstücke würde es ermöglichen, die Modelle der inneren Struktur eisiger Körper zu verfeinern und insbesondere die Mechanismen aufzuklären, die ihre Ozeane im flüssigen Zustand halten.