Kürzlich hat im Labor für Laser-Energetik in Brighton, New York, einer der leistungsstärksten Laser der Welt ein Wassertröpfchen gesprengt und eine Stoßwelle erzeugt, die den Wasserdruck auf Millionen von Atmosphären und die Temperatur auf Tausende von Grad erhöht. Röntgenstrahlen, die im Bruchteil einer Sekunde durch das Tröpfchen strahlten, gaben den Menschen unter diesen extremen Bedingungen einen ersten Einblick in das Wasser.
Die Röntgenaufnahmen zeigten, dass das Wasser in der Stoßwelle keine überhitzte Flüssigkeit oder kein überhitztes Gas war. Paradoxerweise - aber genau wie es Physiker erwartet hatten, die auf Bildschirme in einem angrenzenden Raum blinzelten - erstarrten die Atome fest und bildeten kristallines Eis.
„Sie hören den Schuss“, sagte Marius Millot vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien, „und Sie sehen sofort, dass etwas Interessantes passiert ist.“Millot leitete das Experiment zusammen mit Federica Coppari, ebenfalls von Lawrence Livermore.
Die Erkenntnisse, die diese Woche in Nature veröffentlicht wurden, bestätigen die Existenz von „superionischem Eis“, einer neuen Wasserphase mit bizarren Eigenschaften. Im Gegensatz zu dem bekannten Eis in Ihrem Gefrierschrank oder am Nordpol ist das superionische Eis schwarz und heiß. Ein Würfel wiegt viermal so viel wie ein normaler. Es wurde erstmals vor mehr als 30 Jahren theoretisch vorhergesagt, und obwohl es bis jetzt noch nie gesehen wurde, glauben Wissenschaftler, dass es zu den am häufigsten vorkommenden Wasserformen im Universum gehört.
Zumindest im Sonnensystem gibt es wahrscheinlich mehr Wasser als superionisches Eis - es füllt die Innenräume von Uranus und Neptun - als in jeder anderen Phase, einschließlich der flüssigen Form, die in Ozeanen auf der Erde, in Europa und in Enceladus schwappt. Die Entdeckung des superionischen Eises löst möglicherweise jahrzehntealte Rätsel um die Zusammensetzung dieser „Eisriesen“-Welten.
Unter Einbeziehung der hexagonalen Anordnung von Wassermolekülen, die im gewöhnlichen Eis, bekannt als "Eis-Ih", gefunden wurden, hatten Wissenschaftler bereits verwirrende 18 Architekturen von Eiskristallen entdeckt. Nach Eis I, das in zwei Formen vorliegt, Ih und Ic, sind die übrigen in der Reihenfolge ihrer Entdeckung mit II bis XVII nummeriert. (Ja, es gibt ein Eis IX, aber es existiert nur unter erfundenen Bedingungen, im Gegensatz zu der fiktiven Weltuntergangssubstanz in Kurt Vonneguts Roman Cat's Cradle.)
Superionisches Eis kann nun den Mantel aus Eis XVIII beanspruchen. Es ist ein neuer Kristall, aber mit einer Wendung. Alle bisher bekannten Wassereisarten bestehen aus intakten Wassermolekülen mit jeweils einem Sauerstoffatom, das an zwei Wasserstoffatome gebunden ist. Aber superionisches Eis, bestätigen die neuen Messungen, ist nicht so. Es existiert in einer Art surrealistischer Schwebe, teils fest, teils flüssig. Einzelne Wassermoleküle brechen auseinander. Die Sauerstoffatome bilden ein kubisches Gitter, aber die Wasserstoffatome werden freigesetzt und fließen wie eine Flüssigkeit durch den starren Sauerstoffkäfig.
Experten sagen, dass die Entdeckung von superionischem Eis Computervorhersagen bestätigt, die Materialphysikern helfen könnten, zukünftige Substanzen mit maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen. Das Auffinden des Eises erforderte ultraschnelle Messungen und eine Feinsteuerung von Temperatur und Druck, um die experimentellen Techniken voranzutreiben. "All dies wäre beispielsweise vor fünf Jahren nicht möglich gewesen", sagte Christoph Salzmann vom University College London, der das Eis XIII, XIV und XV entdeckte. "Es wird mit Sicherheit große Auswirkungen haben."
Je nachdem, wen Sie fragen, ist superionisches Eis entweder eine weitere Ergänzung zu den bereits überfüllten Avataren des Wassers oder etwas noch Seltsameres. Laut der Physikerin Livia Bove vom Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung in Frankreich und der Universität Pierre und Marie Curie ist es keine neue Phase des Wassers, weil die Wassermoleküle auseinander brechen. "Es ist wirklich ein neuer Zustand der Materie", sagte sie, "der ziemlich spektakulär ist."
Puzzles auf Eis legen
Physiker sind seit Jahren auf der Suche nach superionischem Eis - seit einer primitiven Computersimulation von Pierfranco Demontis im Jahr 1988, die voraussagte, dass Wasser diese seltsame, fast metallähnliche Form annehmen würde, wenn Sie es über die Karte bekannter Eisphasen hinausschieben würden.
Unter extremem Druck und Hitze, so die Simulationen, brechen Wassermoleküle. Wenn die Sauerstoffatome in einem kubischen Gitter eingeschlossen sind, "beginnen die Wasserstoffe jetzt, von einer Position im Kristall zur nächsten zu springen und springen wieder und springen wieder", sagte Millot. Die Sprünge zwischen den Gitterplätzen sind so schnell, dass die Wasserstoffatome, die ionisiert sind und im Wesentlichen positiv geladene Protonen bilden, sich wie eine Flüssigkeit zu bewegen scheinen.
Dieses vermutete superionische Eis würde Elektrizität wie ein Metall leiten, wobei die Wasserstoffatome die übliche Rolle der Elektronen spielen. Wenn diese losen Wasserstoffatome herumsprudeln, würde dies auch die Störung oder Entropie des Eises verstärken. Diese Zunahme der Entropie wiederum würde dieses Eis viel stabiler machen als andere Arten von Eiskristallen, was dazu führen würde, dass sein Schmelzpunkt nach oben steigt.
Aber das alles war leicht vorstellbar und schwer zu vertrauen. Die ersten Modelle verwendeten die vereinfachte Physik und bewegten sich von Hand durch die Quantennatur realer Moleküle. Spätere Simulationen führten zu mehr Quanteneffekten, umgingen jedoch immer noch die tatsächlichen Gleichungen, die zur Beschreibung der Wechselwirkung mehrerer Quantenkörper erforderlich waren, die zu schwierig zu lösen sind. Stattdessen stützten sie sich auf Annäherungen, was die Möglichkeit eröffnete, dass das gesamte Szenario nur ein Trugbild in einer Simulation sein könnte. Experimente konnten unterdessen nicht den erforderlichen Druck erzeugen, ohne auch genug Wärme zu erzeugen, um selbst diese zähe Substanz zum Schmelzen zu bringen.
Als das Problem jedoch schwand, entwickelten die Planetenforscher ihre eigenen Vermutungen, dass Wasser eine superionische Eisphase haben könnte. Ungefähr zu der Zeit, als die Phase zum ersten Mal vorhergesagt wurde, war die Sonde Voyager 2 in das äußere Sonnensystem gesegelt und hatte etwas Merkwürdiges an den Magnetfeldern der Eisriesen Uranus und Neptun entdeckt.
Die Felder um die anderen Planeten des Sonnensystems scheinen aus stark definierten Nord- und Südpolen zu bestehen, ohne viel andere Struktur. Es ist fast so, als hätten sie nur Stabmagnete in der Mitte, die auf ihre Rotationsachsen ausgerichtet sind. Planetenwissenschaftler sprechen von „Dynamos“: Innenregionen, in denen leitfähige Flüssigkeiten aufsteigen und sich drehen, während sich der Planet dreht, wodurch massive Magnetfelder entstehen.
Im Gegensatz dazu sahen die von Uranus und Neptun ausgehenden Magnetfelder mit mehr als zwei Polen klumpiger und komplexer aus. Sie sind auch nicht so eng an der Rotation ihrer Planeten ausgerichtet. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die für den Dynamo verantwortliche leitende Flüssigkeit auf irgendeine Weise in eine dünne äußere Hülle des Planeten zu beschränken, anstatt sie in den Kern hineinreichen zu lassen.
Aber die Idee, dass diese Planeten feste Kerne haben könnten, die keine Dynamos erzeugen können, schien nicht realistisch. Wenn Sie in diese Eisriesen bohren, erwarten Sie zunächst eine ionische Wasserschicht, die fließt, Strömungen leitet und an einem Dynamo teilnimmt. Naiv scheint es, als wäre noch tieferes Material bei noch höheren Temperaturen auch eine Flüssigkeit. "Ich habe immer Witze darüber gemacht, dass die Innenräume von Uranus und Neptune keineswegs solide sind", sagte Sabine Stanley von der Johns Hopkins University. "Aber jetzt stellt sich heraus, dass sie tatsächlich sein könnten."
Ice on Blast
Jetzt haben Coppari, Millot und ihr Team endlich die Puzzleteile zusammengebracht.
In einem früheren Experiment, das im Februar 2018 veröffentlicht wurde, haben die Physiker indirekte Beweise für superionisches Eis erstellt. Sie drückten einen Tropfen Wasser mit Raumtemperatur zwischen die spitzen Enden von zwei Diamanten. Als der Druck auf etwa ein Gigapascal anstieg, etwa das Zehnfache des Drucks am Boden des Marianengrabens, hatte sich das Wasser in einen tetragonalen Kristall namens Eis VI verwandelt. Etwa 2 Gigapascal hatte es sich in Eis VII verwandelt, eine dichtere, kubische Form, die für das bloße Auge durchlässig ist und die Wissenschaftler kürzlich in winzigen Taschen in natürlichen Diamanten entdeckt haben.
Mit dem OMEGA-Laser im Labor für Laser-Energetik zielten Millot und Kollegen auf das Eis VII, das sich immer noch zwischen Diamant-Ambossen befand. Als der Laser auf die Oberfläche des Diamanten traf, verdampfte er Material nach oben, schleuderte den Diamanten effektiv in die entgegengesetzte Richtung und sendete eine Schockwelle durch das Eis. Das Team von Millot stellte fest, dass das unter hohem Druck stehende Eis bei etwa 4.700 Grad Celsius geschmolzen war, wie es für superionisches Eis zu erwarten war, und dass es dank der Bewegung geladener Protonen Strom leitete.
Mit diesen Vorhersagen über die Bulk-Eigenschaften des superionischen Eises wurde in der neuen Studie von Coppari und Millot der nächste Schritt zur Bestätigung seiner Struktur unternommen. „Wenn man wirklich beweisen will, dass etwas kristallin ist, braucht man Röntgenbeugung“, sagte Salzmann.
Bei ihrem neuen Experiment wurden die Ices VI und VII insgesamt übersprungen. Stattdessen zerstörte das Team Wasser einfach mit Laserstrahlen zwischen Diamantambossen. Eine Milliardstelsekunde später, als Schockwellen durch das Wasser drangen und es zu Eiswürfeln mit einer Größe von Nanometern kristallisierte, verwendeten die Wissenschaftler 16 weitere Laserstrahlen, um ein dünnes Eisensplitter neben der Probe zu verdampfen. Das entstandene heiße Plasma durchflutete das kristallisierende Wasser mit Röntgenstrahlen, die dann von den Eiskristallen abgelenkt wurden, so dass das Team ihre Struktur erkennen konnte.
Atome im Wasser hatten sich in die lange vorhergesagte, aber nie zuvor gesehene Architektur, Eis XVIII, verwandelt: ein kubisches Gitter mit Sauerstoffatomen an jeder Ecke und in der Mitte jedes Gesichts. "Es ist ein ziemlicher Durchbruch", sagte Coppari.
"Die Tatsache, dass diese Phase kein Artefakt der quantenmolekulardynamischen Simulation ist, sondern real - das ist sehr beruhigend", sagte Bove.
Und diese Art der erfolgreichen Gegenprüfung von Simulationen und echtem superionischem Eis lässt darauf schließen, dass der ultimative „Traum“der Materialphysiker bald in greifbare Nähe gerückt sein könnte. "Sie sagen mir, welche Eigenschaften Sie von einem Material erwarten, und wir gehen zum Computer, um theoretisch herauszufinden, welches Material und welche Art von Kristallstruktur Sie benötigen würden", sagte Raymond Jeanloz, Mitglied des Entdeckungsteams der Universität von Kalifornien, Berkeley. "Die Gemeinschaft im Allgemeinen rückt näher."
Die neuen Analysen deuten auch darauf hin, dass superionisches Eis zwar etwas Strom leitet, aber ein matschiger Feststoff ist. Es würde mit der Zeit fließen, aber nicht wirklich abwandern. Innerhalb von Uranus und Neptun könnten flüssige Schichten etwa 8.000 Kilometer tief im Planeten anhalten, wo ein riesiger Mantel aus träge- rem, superionischem Eis, wie er von Millots Team hergestellt wurde, beginnt. Dies würde die meisten Dynamomaßnahmen auf geringere Tiefen beschränken und die ungewöhnlichen Felder der Planeten berücksichtigen.
Andere Planeten und Monde im Sonnensystem haben wahrscheinlich nicht die richtigen inneren Sweet Spots für Temperatur und Druck, um superionisches Eis zuzulassen. Aber viele Exoplaneten der Größe von Eisriesen könnten es tun, was darauf hindeutet, dass die Substanz in eisigen Welten in der gesamten Galaxie verbreitet sein könnte.
Natürlich enthält kein wirklicher Planet nur Wasser. Die Eisriesen in unserem Sonnensystem mischen auch chemische Spezies wie Methan und Ammoniak ein. Inwieweit das superionische Verhalten tatsächlich in der Natur auftritt, wird "davon abhängen, ob diese Phasen noch existieren, wenn wir Wasser mit anderen Materialien mischen", sagte Stanley. Bisher ist das nicht klar, obwohl andere Forscher argumentiert haben, dass auch superionisches Ammoniak existieren sollte.
