Eisforscher entdecken Eis XIII und Eis XIV

Die Forschungsarbeiten wurden von Wissenschaftlern der LFU in Zusammenarbeit mit „Oxford University“, „University College London“ und „Rutherford Appleton Laboratory“ durchgeführt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Science publiziert und könnten unser Verständnis des Wassermoleküls (H₂O) in wichtigen chemischen und biologischen Prozessen entscheidend verbessern.

„Wir wussten von der Theorie her dass diese Eisformen existieren müssen“, sind sich die Autoren der Studie, Christoph Salzmann, Paolo Radaelli, Andreas Hallbrucker, Erwin Mayer und John Finney, einig. „Das Problem war allerdings die tiefen Temperaturen bei der die Bildung der neuen Formen zu erwarten war. Wir mussten deshalb nach einem geeigneten Katalysator suchen, der die molekulare Beweglichkeit bei tiefen Temperaturen erhöht und damit die Bildung der neuen Eisformen ermöglicht.“

Salzsäure, Druck und Neutronenstrahlung

Die Lösung zu diesem Problem war überraschend einfach: Ein paar Tropfen Salzsäure und einige Tonnen Druck wirkten Wunder. Den Forschern gelang es dann sogar die Temperaturen bei der Entstehung der neuen Eisformen zu messen – erstaunliche 160 Grad Celsius unterhalb des Gefrierpunkts. Die atomaren Strukturen der Proben wurden in weiterer Folge am „Rutherford Appleton Laboratory“ mit Hilfe von Neutronenbeugung aufgeklärt. Die Verwendung von Neutronenstrahlung war dabei ein entscheidender Punkt, denn Röntgenstrahlung, die weithin zur chemischen Strukturaufklärung verwendet wird, ist gewissermaßen „blind“, was die Positionen der Wasserstoffatome betrifft. Da das Wassermolekül (H₂O) aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht, könnte man mit Röntgenbeugung also nur die Positionen der Sauerstoffatome bestimmen.

Bis jetzt waren den Wissenschaftlern 12 Formen von Eis bekannt. Die Form, die wir im Winter als Schnee oder Eis beobachten können, wird dabei als Eis I bezeichnet. Aufgrund der Vielseitigkeit des Wassermoleküls können unter Druck weiteren Formen gefunden werden. Die sechsfachen Symmetrieeigenschaften von Eis I, die man anhand von Schneekristallen erkennen kann, tritt allerdings bei nur recht wenig anderen Formen auf. Würde es zum Beispiel Eis XIV schneien, dann wären die Kristalle wahrscheinlich viereckig.

Eis auf anderen Planeten

Wissenschaftler haben bereits vor 40 Jahren begonnen nach einem neuen Herstellungs-Rezept für weitere Eisformen zu suchen. Dank der neuen Methode scheint nun der Weg geöffnet, das Phasenverhalten von Eis bei tiefen Temperaturen endgültig zu verstehen. Die Entdeckung liefert den Wissenschaftlern ebenfalls wichtige neue Erkenntnisse über die Eigenschaften der Wasserstoffbrückenbindung in den verschiedenen Eisformen. Damit könnte auch das Verständnis der Wechselwirkungen der Wassermoleküle in verschiedenen chemischen und biologischen Prozessen verbessert werden. Ebenfalls können nun Computermodelle des Wassermoleküls, die weithin in der theoretischen Chemie verwendet werden, einem kritischen Test unterzogen werden, in dem die Bildung der neuen Eisformen quasi am Computer simuliert wird. Die Ergebnisse könnten ebenfalls helfen, Form und Auftreten von Wasser oder Eis auf anderen Planten oder Monden unseres Sonnensystems vorauszusagen. Tatsächlich könnten die neu entdeckten Eisformen auf den Eismonden der äußeren Planeten auftreten.

Die Autoren der Studie sind

Dr Christoph Salzmann (LFU & University of Oxford)

Prof Paolo Radaelli (Rutherford Appleton Laboratory & University College London)

Prof Andreas Hallbrucker (LFU)
Prof Erwin Mayer (LFU)

Prof John Finney (University College London)