Superionisches Eismodell. Kugeln zeigen Sauerstoffatome an, Linien - Flugbahnen von Wasserstoffionen
Amerikanische Physiker haben zum ersten Mal experimentell superionisches Eis gewonnen - einen speziellen Eiszustand, in dem Sauerstoffionen ein starres Kristallgitter bilden und sich Wasserstoffionen frei daran entlang bewegen. Theoretisch wurde diese Eisform vor 30 Jahren vorhergesagt, aber zum ersten Mal experimentell erhalten, schreiben Wissenschaftler in Nature Physics.
Vor etwa 30 Jahren wurde theoretisch vorhergesagt, dass Wassereis bei ultrahohen Drücken und Temperaturen von mehreren tausend Grad in superionischer Form existieren könnte. In diesem Zustand bilden Sauerstoffionen ein starres gebundenes Gitter und Wasserstoffionen bewegen sich wie eine Flüssigkeit entlang dieses Gitters. Die Bedingungen, unter denen sich superionisches Eis bilden sollte, sind beispielsweise für Neptun oder Uranus charakteristisch - Planeten aus der Gruppe der Eisriesen, in deren Tiefen es eine ziemlich große Anzahl von Hochtemperatur-Modifikationen des Eises gibt, darunter wahrscheinlich auch superionisch. Bisher war es jedoch nicht möglich, solches Eis unter Laborbedingungen zu gewinnen und die Existenz dieser Phase experimentell zu bestätigen.
Amerikanische Physiker um Marius Millot vom Livermore National Laboratory konnten im Labor erstmals superionisches Eis gewinnen. Dazu nutzten die Wissenschaftler die Schockkompression von Eis-VII unter Einwirkung eines Lasers. Ice-VII ist eine der ungeordneten kubischen Modifikationen von Eis, die bei einem Druck von etwa 2,5 Gigapascal (was 25.000 Mal höher ist als der Atmosphärendruck) und Raumtemperatur erhalten werden kann. Die Autoren der Arbeit synthetisierten solches Eis in einer Zelle mit Diamantambossen, woraufhin mit Hilfe eines Lasers darin Stoßwellen angeregt wurden, die sich mit einer Geschwindigkeit von 4 bis 10 Kilometern pro Sekunde ausbreiteten und zu lokaler Erwärmung führten und eine Druckerhöhung. Für sehr kurze Zeit (ca. 10 - 20 Nanosekunden) stellten sich die notwendigen Bedingungen ein, wonach das Wasser verdampfte.
Die Wissenschaftler überwachten den Zustand des Eises mit Interferenzgeschwindigkeits- und Pyrometrie, die es ermöglichen, Druck und Temperatur anhand optischer Merkmale abzuschätzen. Darüber hinaus zeigte die Physik mit Hilfe numerischer Simulationen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie und der Molekulardynamik, dass sich unter den verwendeten Bedingungen tatsächlich superionisches Eis bilden sollte. Nach den erhaltenen Ergebnissen erhöht die Möglichkeit der superionischen Eisbildung den Schmelzpunkt erheblich, der erst bei einer Temperatur von etwa 5 Tausend Grad und einem Druck von 190 Gigapascal beginnt.
Phasendiagramm von Wassereis für die für den Darm von Eisriesen typischen Bedingungen: sehr hohe Drücke und Temperaturen. Die Punkte zeigen die bekannten experimentellen und berechneten Daten.
Die Autoren der Arbeit zeigten auch, dass sich superionisches Eis auch durch eine sehr hohe Ionenleitfähigkeit auszeichnet. Da sich Wasserstoffkationen innerhalb einer solchen Struktur relativ frei bewegen, übersteigt die Protonenleitfähigkeit 100 Siemens pro Zentimeter. In diesem Fall bleibt auch eine geringe elektronische Leitfähigkeit erhalten.
Laut den Autoren der Arbeit kann die Möglichkeit eines Übergangs von einem festen Zustand nicht in einen flüssigen, sondern in einen superionischen Zustand einige andere Phasenübergänge in Wasser erklären, die in anderen Arbeiten bei Drücken von etwa 50-70 Gigapascal beobachtet wurden.
Wissenschaftler argumentieren, dass die experimentelle Bestätigung der Existenz von superionischem Eis erstens die Anwendbarkeit der derzeit verwendeten Computermodelle für numerische Berechnungen und Modellierungen zeigt und zweitens eine große Menge sehr wichtiger Informationen über den Wasserzustand auf Himmelskörpern liefert. die durch ähnliche Temperatur und Druck gekennzeichnet sind. Anhand der gewonnenen Ergebnisse beispielsweise für Eisriesen lassen sich die mechanischen, magnetischen und elektronischen Eigenschaften ihrer Eisschalen abschätzen.
Da Wasserstoff und Sauerstoff zu den am häufigsten vorkommenden Elementen im Sonnensystem gehören und das Wassermolekül eine sehr stabile Struktur hat, findet man nicht nur auf Eisriesen, sondern auch auf kleineren Planeten und anderen eine ziemlich große Anzahl verschiedener Eisformen Himmelskörper. Auf dem Mars haben Wissenschaftler zum Beispiel kürzlich acht Gebiete gleichzeitig entdeckt, in denen Eis an die Oberfläche des Planeten gelangt. Zuvor wurde mit Hilfe der Dawn-Sonde Eis auf dem Zwergplaneten Ceres und dem Asteroiden West gefunden.
