Entdeckung eines neuen Eises könnte das Verständnis von Wasser verändern

Neue Eisart kommt flüssigem Wasser näher als jedes andere bekannte Eis und könnte unser Verständnis von Wasser und seinen vielen Anomalien neu definieren

07.02.2023 - Großbritannien

Forscher des UCL und der Universität Cambridge haben eine neue Art von Eis entdeckt, das flüssigem Wasser ähnlicher ist als alle anderen bekannten Eissorten und das unser Verständnis von Wasser und seinen zahlreichen Anomalien neu definieren könnte.

Das neu entdeckte Eis ist amorph, d. h. seine Moleküle liegen in einer ungeordneten Form vor und sind nicht wie bei gewöhnlichem, kristallinem Eis sauber geordnet. Amorphes Eis ist zwar auf der Erde selten, aber im Weltraum die häufigste Art von Eis. Das liegt daran, dass das Eis in der kälteren Umgebung des Weltraums nicht genug Wärmeenergie hat, um Kristalle zu bilden.

Für die Studie, die in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, verwendete das Forscherteam ein Verfahren namens Kugelmahlen, bei dem gewöhnliches Eis zusammen mit Stahlkugeln in einem auf -200 Grad Celsius gekühlten Gefäß kräftig geschüttelt wird.

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Dabei stellten sie fest, dass das Verfahren nicht zu kleinen Stücken gewöhnlichen Eises führte, sondern eine neuartige amorphe Form von Eis hervorbrachte, die im Gegensatz zu allen anderen bekannten Eissorten die gleiche Dichte wie flüssiges Wasser hatte und deren Zustand dem von Wasser in fester Form ähnelte. Sie nannten das neue Eis amorphes Eis mittlerer Dichte (MDA).

Das Team schlug vor, dass MDA (das wie ein feines weißes Pulver aussieht) im Inneren von Eismonden des äußeren Sonnensystems vorkommen könnte, da die Gezeitenkräfte von Gasriesen wie Jupiter und Saturn ähnliche Scherkräfte auf gewöhnliches Eis ausüben könnten wie die, die beim Kugelmahlen entstehen. Darüber hinaus stellte das Team fest, dass MDA bei Erwärmung und Rekristallisation eine außerordentliche Menge an Wärme freisetzt, was bedeutet, dass es tektonische Bewegungen und "Eisbeben" in der kilometerdicken Eisschicht auf Monden wie Ganymed auslösen könnte.

Hauptautor Professor Christoph Salzmann (UCL Chemistry) sagte: "Wasser ist die Grundlage allen Lebens. Unsere Existenz hängt davon ab, wir starten Weltraummissionen, um es zu suchen, aber aus wissenschaftlicher Sicht ist es kaum verstanden.

"Wir kennen 20 kristalline Formen von Eis, aber nur zwei Haupttypen von amorphem Eis wurden bisher entdeckt: amorphes Eis mit hoher Dichte und amorphes Eis mit niedriger Dichte. Dazwischen klafft eine riesige Dichtelücke, und die gängige Meinung war, dass es innerhalb dieser Dichtelücke kein Eis gibt. Unsere Studie zeigt, dass die Dichte von MDA genau in dieser Dichtelücke liegt, und diese Erkenntnis könnte weitreichende Folgen für unser Verständnis von flüssigem Wasser und seinen zahlreichen Anomalien haben."

Die Dichtelücke zwischen den bekannten amorphen Eiskörpern hat Wissenschaftler zu der Annahme veranlasst, dass Wasser bei sehr kalten Temperaturen tatsächlich als zwei Flüssigkeiten existiert und dass theoretisch bei einer bestimmten Temperatur beide Flüssigkeiten nebeneinander existieren könnten, wobei die eine Art über der anderen schwimmt, wie bei der Mischung von Öl und Wasser. Diese Hypothese wurde in einer Computersimulation demonstriert, aber nicht durch Experimente bestätigt. Die Forscher sagen, dass ihre neue Studie Fragen über die Gültigkeit dieser Idee aufwerfen könnte.

Professor Salzmann sagte: "Bestehende Wassermodelle sollten erneut geprüft werden. Sie müssen in der Lage sein, die Existenz von amorphem Eis mittlerer Dichte zu erklären. Dies könnte der Ausgangspunkt für eine endgültige Erklärung von flüssigem Wasser sein".

Die Forscher schlugen vor, dass es sich bei dem neu entdeckten Eis um den echten glasartigen Zustand von flüssigem Wasser handeln könnte - also um eine genaue Nachbildung von flüssigem Wasser in fester Form, so wie Glas in Fenstern die feste Form von flüssigem Siliziumdioxid ist. Ein anderes Szenario ist jedoch, dass MDA überhaupt nicht glasig ist, sondern sich in einem stark gescherten kristallinen Zustand befindet.

Co-Autor Professor Andrea Sella (UCL Chemie) sagte: "Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, Wasser zu erzeugen, das wie eine Art Stop-Motion-Wasser aussieht. Das ist eine unerwartete und ziemlich erstaunliche Entdeckung".

Der Hauptautor Dr. Alexander Rosu-Finsen, der die Experimente an der UCL-Chemie durchgeführt hat, sagte: "Wir haben das Eis lange Zeit wie verrückt geschüttelt und die Kristallstruktur zerstört. Anstatt kleinere Eisstücke zu erhalten, stellten wir fest, dass wir eine völlig neue Art von Eis mit bemerkenswerten Eigenschaften entwickelt hatten."

Indem das Team das Kugelmahlverfahren durch wiederholtes zufälliges Abscheren von kristallinem Eis nachahmte, erstellte es auch ein Berechnungsmodell von MDA. Dr. Michael Davies, der als Doktorand im ICE-Labor (interfaces, catalytic & environmental) am UCL und an der Universität Cambridge an der rechnerischen Modellierung arbeitete, sagte: "Unsere Entdeckung von MDA wirft neue Fragen auf: "Unsere Entdeckung von MDA wirft viele Fragen über die Natur von flüssigem Wasser auf, und deshalb ist es sehr wichtig, die genaue atomare Struktur von MDA zu verstehen."

Wasser weist viele Anomalien auf, die Wissenschaftler schon lange verblüffen. So ist Wasser bei 4 Grad Celsius am dichtesten und wird weniger dicht, wenn es gefriert (daher schwimmt Eis). Außerdem lässt sich flüssiges Wasser umso leichter zusammendrücken, je stärker man es zusammendrückt, was von den Prinzipien abweicht, die für die meisten anderen Stoffe gelten.

Amorphes Eis wurde erstmals in den 1930er Jahren in seiner Form mit geringer Dichte entdeckt, als Wissenschaftler Wasserdampf auf einer auf -110 Grad Celsius gekühlten Metalloberfläche kondensierten. Der Zustand hoher Dichte wurde in den 1980er Jahren entdeckt, als gewöhnliches Eis bei fast -200 Grad Celsius komprimiert wurde. Während es im Weltraum häufig vorkommt, geht man davon aus, dass amorphes Eis auf der Erde nur in den kalten oberen Bereichen der Atmosphäre vorkommt.

Das Kugelmahlen ist eine Technik, die in verschiedenen Industriezweigen zum Zerkleinern oder Mischen von Materialien eingesetzt wird, aber bisher noch nicht auf Eis angewendet wurde. In der Studie wurde ein Mahlbecher mit flüssigem Stickstoff auf -200 Grad Celsius gekühlt und die Dichte des kugelgemahlenen Eises anhand seines Auftriebs in flüssigem Stickstoff bestimmt. Die Forscher setzten eine Reihe weiterer Techniken ein, um die Struktur und die Eigenschaften von MDA zu analysieren. Dazu gehörten die Röntgenbeugung (Untersuchung des Musters der vom Eis reflektierten Röntgenstrahlen) und die Raman-Spektroskopie (Untersuchung der Lichtstreuung des Eises) am UCL Chemistry sowie die Kleinwinkelbeugung am UCL Centre for Nature Inspired Engineering zur Erforschung der Langstreckenstruktur. Außerdem haben sie den Prozess der Herstellung von Eis mittlerer Dichte in einer Computersimulation mit Hilfe der UCL Kathleen High Performance Computing Facility erfolgreich nachgestellt.

Außerdem untersuchten sie mit Hilfe der Kalorimetrie die Wärme, die freigesetzt wird, wenn das Eis mittlerer Dichte bei wärmeren Temperaturen rekristallisiert. Sie fanden heraus, dass das MDA, wenn es komprimiert und dann erwärmt wurde, bei der Rekristallisation eine überraschend große Menge an Energie freisetzte, was zeigt, dass_H2Oein hochenergetisches geophysikalisches Material sein kann, das tektonische Bewegungen in den Eismonden des Sonnensystems antreiben könnte.

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