Physiker haben erstmals experimentell das Bestehen einer exotischen Form von Wasser bestätigt, die sich grundlegend anders verhält als gewöhnliches Eis. Dies berichtet RBC-Ukraine unter Verweis auf eine Studie, die im spezialisierten wissenschaftlichen Fachblatt Physical Review Letters veröffentlicht wurde. Die Wissenschaftler beschrieben eine neue Phase des Eises, in der Wasser unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen anomale Eigenschaften annimmt und in den sogenannten suprationischen Zustand übergeht – eine hybride Form der Materie, die Merkmale eines Festkörpers und einer Flüssigkeit kombiniert.

Wie Physiker Wasser „zwischen Diamanten eingeklemmt" haben

Um die Bedingungen nachzubilden, die im Inneren der Riesenplaneten herrschen, pressten die Forscher mikroskopisch kleine Wassertropfen zwischen die Spitzen von hochfesten Diamanten und erwärmten sie gleichzeitig mit Lasern. Der Druck im Experiment erreichte 230 Gigapascal – das entspricht etwa 2,3 Millionen Atmosphären; zum Vergleich: Der Druck im Erdinneren beträgt etwa 360 Gigapascal. Die Proben wurden bis auf 2 357 °C erhitzt, wobei in den frühen Stadien der Phasenübergänge eine Temperatur von etwa 1 427 °C festgestellt wurde und bei der Bildung der Hauptphasen bis zu 1 977 °C. Die Struktur des entstehenden Eises wurde mit einem schmalen Röntgenstrahl analysiert.

Hybrid aus Festkörper und Flüssigkeit

Unter normalen Bedingungen verdampft Wasser bei hohen Temperaturen und dehnt sich aus. Bei einem enormen Druck ist eine solche Ausdehnung jedoch unmöglich, und die Materie geht in den suprationischen Zustand über. Dies ist eine hybride Phase, die gleichzeitig Eigenschaften eines Festkörpers und einer Flüssigkeit aufweist: Die Sauerstoffionen behalten ein geordnetes Kristallgitter bei, während die Protonen (Wasserstoffionen) sich frei darin bewegen, ähnlich wie Teilchen in einer Flüssigkeit. Genau diese Kombination macht die neue Form von Wasser aus Sicht der klassischen Physik zu einer Anomalie.

Die hexagonale Phase verdrängt die kubische

Das Schlüsselresultat der Arbeit war die Entdeckung einer neuen hexagonalen Modifikation des Eises (hcp). Bei einem Druck von über 200 Gigapascal wurde genau diese hexagonale Form zur Haupt- und thermodynamisch stabilen Phase und verdrängte die zuvor bekannte kubische Modifikation (fcc). Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass die neue Phase bereits bei einer Temperatur von etwa 1 427 °C in den suprationischen Zustand übergeht, was deutlich niedriger liegt als für ähnliche Übergänge in anderen Eis-Modifikationen erwartet wurde.

Was das für Uran und Neptun bedeutet

Die Entdeckung hat direkte Bedeutung für das Verständnis des inneren Aufbaus der Eisriesen. Es wird angenommen, dass genau suprationisches Eis einen erheblichen Teil des Inneren von Uran und Neptun ausmacht. Wenn die neue hexagonale Phase den elektrischen Strom anders leitet und sich anders verformt als die zuvor bekannten Eisformen, werden die Wissenschaftler die geltenden Modelle der Materie- und Ladungsbewegung innerhalb dieser Planeten überarbeiten müssen. Genau diese inneren Prozesse sind für die Bildung der charakteristischen asymmetrischen und chaotischen Magnetfelder der Eisriesen verantwortlich.

Was als Nächstes

Die Autoren der Studie fordern derzeit Theoretiker auf, zusätzliche Berechnungen durchzuführen, um die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der neu entdeckten Phase im Detail zu untersuchen. Erst dann wird klar sein, inwieweit die neue hexagonale Modifikation die modernen Vorstellungen von der Physik der Riesenplaneten und vom Verhalten von Wasser unter extremen Bedingungen, die in irdischen Laboratorien nicht erreichbar sind, verändern wird.