Normalerweise stellen wir uns Eis nur als gekühltes Wasser vor, einfach, hart und kalt. Doch Wasser ist tatsächlich ein „Meister der Verkleidung“. Obwohl es nur aus zwei Atomen, Wasserstoff und Sauerstoff, besteht, kann es mehr als 20 verschiedene Eisarten bilden, von denen jede eine einzigartige innere Struktur aufweist. Manche Eisformen sind glatt und vertraut, wie zum Beispiel gewöhnliche Eiswürfel in Haushaltskühlschränken; während in Hochdruckumgebungen, etwa tief in der Erde oder auf entfernten Satelliten, einige seltsame „Eisphasen“ auftreten können.

Wissenschaftler erforschen diese mysteriösen Eisarten seit mehr als einem Jahrhundert, nicht nur aus Neugier, sondern um zu verstehen, wie sich Wasser unter extremen Bedingungen verhält, auch dort, wo außerirdisches Leben existieren könnte.

Frühere Forschungen haben neue Eisarten wie Ice XIX entdeckt, bei dem die Sauerstoffatome genauso angeordnet sind wie bei Ice XV, die Wasserstoffatome jedoch anders angeordnet sind. Es gibt auch eine neue Eisphase namens Ice VIIIt, die hauptsächlich tief im Erdmantel oder auf wasserreichen Exoplaneten vorkommt und später als Ice X klassifiziert wurde.

Kürzlich haben Wissenschaftler des Korea Institute of Standards and Science (KRISS) eine völlig neue Eisart entdeckt: die offizielle Bezeichnung Ice XXI. Ihre Struktur unterscheidet sich völlig von allen bisher bekannten Eisarten.

Sie verwendeten ein leistungsstarkes Versuchsgerät, das aus einem Diamantamboss und einem Röntgenlaser bestand, um das Verhalten von extrem komprimiertem Wasser bei Raumtemperatur zu beobachten. Unerwarteterweise gefror Wasser in diesem Druckbereich nicht direkt zu Eis, sondern erlebte mehrere Gefrier-Tau-Zyklen, und schließlich entstand Eis XXI im typischen Druckbereich von Eis VI.

Was ist das Besondere an Ice XXI? Es verfügt über eine einzigartige Atomstruktur, die sich deutlich von den mehr als 20 derzeit bekannten Eisarten unterscheidet. Noch wichtiger ist, dass es einen „metastabilen Zustand“ aufweist, das heißt, es kann noch kurzzeitig in einer ursprünglich instabilen Umgebung existieren, was Forschern die Möglichkeit bietet, den Entstehungsprozess von Eis unter hohem Druck zu beobachten. Diese Entdeckung soll Wissenschaftlern helfen, die materielle Umgebung des eisigen Planeten und der tiefen Erde zu verstehen.

„Durch die schnelle Komprimierung des Wassers bleibt es bei höheren Drücken flüssig, wo es sich in Eis VI hätte verwandeln sollen“, erklärte KRISS-Wissenschaftler Geun Woo Lee.

Das Forschungsteam nutzte Diamantambosse, um hohen Druck zu erzeugen, führte Experimente an extrem reinen Wasserproben durch und nutzte Hochgeschwindigkeitskameras, Lasersensoren und Echtzeitüberwachungsgeräte, um die Gefrier- und Schmelzprozesse von Eis bei normalen Temperaturen zu beobachten. Durch Anpassen des Drucks, Erfassen von Strukturübergängen und Verwenden der Raman-Spektroskopie zur Analyse von Veränderungen innerhalb der Wassermoleküle wurde jeder Moment des Wassergefrierens aufgezeichnet. Die Fluoreszenz mikroskopisch kleiner Rubinkristalle wird zur genauen Druckmessung genutzt.

Wissenschaftler nutzen außerdem leistungsstarke Röntgenstrahlen der Synchrotronstrahlung, kombiniert mit hochpräzisen Detektoren und Analyseprogrammen, um den genauen Zeitpunkt zu beobachten, an dem Wasser „abnormales Eis“ bildet. Um den Gefrierrhythmus des Eises besser anzupassen, wird der Druck in einem unregelmäßigen Dreiecksrhythmus ausgeübt. Zwei Arten von Detektoren erfassten gleichzeitig experimentelle Daten mit 560.000 Mal pro Sekunde bzw. 10 Mal pro Sekunde und ermöglichten so die Darstellung des „verborgenen Tanzes“ der Umwandlung von Wasser in Eis.

Molekulardynamiksimulationen verwendeten zwei Modelle, SPCfw und TIP4P/Ice. TIP4P/Ice stellt starre Wassermoleküle mit grundsätzlich unveränderten Winkeln und Bindungslängen dar und eignet sich sehr gut für die Untersuchung von Hochdruckeis; Das SPCfw-Modell ist flexibler und kann das Biegen und Strecken von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Molekülen unter extrem hohem Druck simulieren. Die Simulationstrends der beiden stimmen im Wesentlichen mit den experimentellen Ergebnissen überein.

In extrem komprimiertem Wasser mit Raumtemperatur entdeckten Wissenschaftler, dass Wasser nicht in einem einzigen Schritt gefriert, sondern mehrere Eis-Wasser-Zyklen durchläuft und sich schließlich in das sogenannte Eis VI verwandelt. In diesem Druckbereich (ca. 1,6 GPa) entdeckten sie Eis XXI, dessen Kristallstruktur raumzentriert tetragonal ist.

Ice XXI ist etwas ganz Besonderes: Obwohl seine Energie bei Raumtemperatur höher als die von MS-Ice VII und seine Stabilität geringer ist, ist der Unterschied nicht groß. Interessanter ist, dass nur Ice XXI in MS-Ice VII umgewandelt werden kann, normales Wasser diese Umwandlung jedoch nicht direkt abschließen kann. Wenn man jedoch Wasser mit MS-Ice VII vermischt, können beide unter hohem Druck in Ice VI umgewandelt werden.

Mithilfe des leistungsstarken Röntgenlasers des Europe XFEL haben Wissenschaftler herausgefunden, dass sich Wasser beim Gefrieren selbst bei Raumtemperatur auf mindestens fünf verschiedene Arten entwickelt.

Geun Woo Lee betonte: „Mithilfe der einzigartigen Röntgenpulse des European XFEL haben wir gezeigt, dass H2O bei schneller Kompression und Dekompression mehr als tausend Mal mehrere Kristallisationswege durchlaufen kann.“

Rachel Husband, ein Mitglied des Forschungsteams, fügte hinzu: „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die metastabile Hochtemperatur-Eisphase und ihr Transformationspfad möglicherweise weit über das bisherige Wissen hinausgehen und voraussichtlich neue Erkenntnisse zu unserem Verständnis der Materialstruktur eisiger Satelliten bringen werden.“

Relevante Forschungsergebnisse wurden in „Nature Materials“ veröffentlicht.