https://www.faz.net/-gwz-9o46k

Amorphes Eis : Wie Wasser zu Glas erstarrt

  • -Aktualisiert am

Siebzehn verschiedene kristalline Formen von Eis sind bekannt. Bild: ZB

Wasser erstarrt unterhalb von Null Grad zu Eis. Doch dieser feste Zustand ist nur eine Variante von gefrorenem Wasser. Amerikanische Forscher haben eine Überraschung erlebt, als sie Eis stark abkühlten und komprimierten.

          Wasser ist trotz seiner einfachen molekularen Struktur immer wieder für Überraschungen gut. Das gilt vor allem für den festen Aggregatzustand der dreiatomigen Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff. Mindestens 17 kristalline Formen von Wassereis sind mittlerweile bekannt, wobei der überwiegende Teil nur unter extremen Bedingungen existiert. Darüber hinaus sind auch drei unterschiedlich dichte nichtkristalline Phasenzustände beobachtet worden, die sich wie Glas verhalten. Amerikanische Wissenschaftler haben dieses amorphe Wassereis nun genauer untersucht und eine Überraschung erlebt.

          Ob als Rauhreif, Schnee oder Eiswürfel, alle vertrauten Formen gefrorenen Wassers besitzen die gleiche hexagonale Kristallstruktur, wissenschaftlich „Eis-Ih“ (h steht für hexagonal) genannt. In dem Kristallgitter befinden sich die Sauerstoffatome jeweils an den Enden von Sechsecken. Unterhalb von minus 87 Grad und bei Normaldruck existiert Wasser als kubisches Eis-Ic. Wird Wassereis stark komprimiert, entstehen weitere Kristallstrukturen. Sie werden als „Eis IV“, „Eis VI“ oder „Eis XIII“ bezeichnet. Am Grund von planetaren Ozeanen oder auf der Oberfläche von Eisplaneten oder Kometen kann Eis aufgrund der dort herrschenden hohen Drücke und tiefen Temperaturen solche exotische Formen annehmen.

          Eine Überraschung am Morgen

          Vor 35 Jahren haben kanadische Wissenschaftler bei minus 196 Grad und einem Druck von 10 000 Atmosphären einen amorphen Zustand von Eis erzeugt. Seit langem wird allerdings vermutet, dass dieser glasartige Aggregatzustand mit stark unterkühltem Wasser verwandt sein könnte – mit Wasser also, das auch weit unterhalb des Gefrierpunkts flüssig ist. Bestünde eine solche Beziehung, dann könnte amorphes Wasser durch Druck- und Temperaturänderungen zum Schmelzen gebracht werden, so die Vorstellung.

          Saturnmond Enceladus, aufgenommen von der Raumsonde Cassini: Seine Oberfläche ist mit Eis bedeckt. In seinem Inneren wird ein Ozean vermutet.

          Um diese Annahme zu überprüfen, haben die Wissenschaftler um Chris Tulk vom Oak Ridge National Laboratory in Tennesse versucht, flüssiges Wasser unter kontrollierten Bedingungen in den amorphen Zustand zu überführen. Dazu schlossen sie einen drei Millimeter großen Tropfen in eine Hochdruckzelle ein, kühlten ihn auf minus 173 Grad ab und erhöhten langsam den äußeren Druck bis auf 28.000 Atmosphären. Gleichzeitig ermittelten sie die Kristallstruktur der Probe, indem sie diese mit Neutronen bestrahlten.

          Da die Druckerhöhung äußerst langsam erfolgte, ließen die Wissenschaftler ihr Experiment über Nacht laufen. Am nächsten Morgen stellten die Forscher zu ihrem Erstaunen fest, dass sich in der Hochdruckpresse zu keinem Zeitpunkt amorphes Wasser gebildet hatte. Stattdessen hatte das Eis – wie die aufgezeichneten Beugungsmuster zeigten – eine Kette von kristallinen Phasen durchlaufen, angefangen von Eis-I bis hin zu Eis-VIII.

          Amorphes Wassereis nur ein Irrtum?

          Da die Forscher um Chris Tulk bereits mehrfach erfolgreich amorphes Wasser erzeugt hatten, glaubten sie zunächst, dass ihre Probe verunreinigt sei. Es folgten weitere Versuche mit frischen Proben: Von amorphem Wasser war weiterhin keine Spur. Tulk und seine Kollegen erklären den Befund damit - so schreiben sie in der Zeitschrift „Nature“ -,dass amorphes Eis nur entsteht, wenn die Druckerhöhung – wie in den früheren Versuchen – sehr schnell erfolgt. Dann habe das Eis keine Zeit, vollständig in die nächst dichtere kristalline Form überzugehen.

          Das Phasendiagramm von Wasser

          Der nichtkristalline Zwischenzustand würde dann registriert und irrtümlich als stabiler amorpher Zustand gedeutet. Dies würde bedeuten, dass auch keine Verbindung von amorphem zu unterkühltem Wasser besteht, mutmaßen die Forscher. „Es scheint, als gäbe es doch keinen zweiten kritischen Punkt im Phasendiagramm von Wasser“, sagt Tusk. An diesem Punkt, so vermuten manche Forscher, stünden der amorphe und unterkühlte sowie der kristalline Aggregatzustand von Wasser im Gleichgewicht. Am ersten kritischen Punkt, dem Tripelpunkt, sind festes, flüssiges und gasförmiges Wasser in der Balance (siehe Grafik).

          Weitere Themen

          Wie Ölgemälde altern

          Materialforschung : Wie Ölgemälde altern

          Feuchtigkeit und Licht sind Gift für die Ölfarben. Sie verlieren ihren Glanz und verblassen. Was dabei auf molekularer Ebenen geschieht, zeigen jetzt spektroskopische Analysen.

          Topmeldungen

          Hat sich zum Zwei-Prozent-Ziel der Nato-Staaten bekannt: Annegret Kramp-Karrenbauer

          Akks Wehretat : Der Streit schwelt weiter

          Die neue Verteidigungsministerin Annegret Kramp-Karrenbauer bekräftigt das Ziel der Nato, dass die Verteidigungsausgaben steigen sollen. Das provoziert Widerstand – in der Opposition und selbst beim Koalitionspartner.

          Newsletter

          Immer auf dem Laufenden Sie haben Post! Abonnieren Sie unsere FAZ.NET-Newsletter und wir liefern die wichtigsten Nachrichten direkt in Ihre Mailbox. Es ist ein Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es erneut.
          Vielen Dank für Ihr Interesse an den F.A.Z.-Newslettern. Sie erhalten in wenigen Minuten eine E-Mail, um Ihre Newsletterbestellung zu bestätigen.