Ein internationales wissenschaftliches Forschungsteam nutzte das fortschrittliche Neutronenspektrometer und andere Einrichtungen am Laue-Langevin-Institut in Frankreich, um erstmals die seltsame Form von Wasser zu beobachten – „Plasticice VII“ (Plasticice VII). Die Untersuchung des plastischen Zustands und des superionischen Zustands von Wasser kann dazu beitragen, die innere Struktur und den Gletscherfluss von Eissatelliten wie Ganymed und Callisto sowie von Eisplaneten wie Uranus und Neptun besser zu verstehen. Der entsprechende Artikel wurde in der neuesten Ausgabe des Nature-Magazins veröffentlicht.
Bildquelle: Physicist Organization Network
Im Allgemeinen gibt es drei Grundformen von Wasser: fest, flüssig und gasförmig. Tatsächlich gibt es aber noch viele weitere Formen des Wassers, von denen einige erst bei hohen Temperaturen und Drücken auftreten und als exotische Zustände bezeichnet werden. Vor fünfzehn Jahren nutzten Wissenschaftler Molekulardynamiksimulationen, um die Existenz der „Plastik-Eis-Sieben“ vorherzusagen, und diese Studie war die erste, die diese Form experimentell beobachtete.
Der plastische Zustand ist ein gemischter Zustand, der sowohl Eigenschaften eines festen als auch eines flüssigen Zustands aufweist. In Plastic Ice Seven bilden Wassermoleküle ein starres kubisches Gitter – genau wie in Ice Seven (eine kubische kristalline Eisform, die aus flüssigem Wasser über 3 GPa nach Abkühlung auf Raumtemperatur gebildet werden kann), zeigen aber gleichzeitig eine Rotationsbewegung im Pikosekundenbereich im flüssigen Wasser. Diese besondere Form erscheint in einer Hochtemperaturumgebung von 177℃-327℃ und einer Druckumgebung von 0,1GPa-6GPa (1GPa=1 Milliarde Pascal).
Bei dieser Forschung spielte die Technologie der quasielastischen Neutronenstreuung (QENS) eine Schlüsselrolle. QENS kann die Translations- und Rotationsdynamik von Objekten genauer erfassen als andere spektroskopische Technologien. Mithilfe von QENS identifizierte das Team drei verschiedene Formen, die Wasser annimmt, wenn sich Temperatur und Druck ändern: flüssiges Wasser, in dem sich Wassermoleküle sowohl translatorisch als auch rotierend bewegen; festes Eis, in dem sowohl Translation als auch Rotation eingefroren sind; und „Plastik-Eis-Sieben“ in der Mitte. In Plastic Ice Seven verlieren Wassermoleküle, die in einer geordneten Kristallstruktur angeordnet sind, die Fähigkeit, sich frei zu bewegen, behalten aber die Fähigkeit, sich zu drehen.
Weitere Analysen zeigten, dass die Molekulardynamik von Plastic Ice 7 möglicherweise komplexer ist als ursprünglich simuliert und dass sich sein molekularer Rotationsmechanismus vom zuvor vorhergesagten Freirotorverhalten unterscheidet. Darüber hinaus ist der Übergang von Wasser von „Eis Sieben“ zu „Plastisches Eis Sieben“ kontinuierlich, was bedeutet, dass „Plastisches Eis Sieben“ der „Vorgänger“ eines anderen superionischen Zustands sein könnte, der bei höheren Temperaturen und Drücken existiert.