Seit Generationen beschränken sich unsere Erfahrungen mit Eis auf seine häufigste Form – sechseckiges Eis (Ih) – die Art, die Getränke kühlt und winterliche Straßen tückisch macht. Doch Wissenschaftler sprengen diese bekannten Grenzen und erschaffen über 20 exotische kristalline Eisstrukturen, die nur unter extremen Drücken und Temperaturen existieren. Diese Formen, die im alltäglichen Leben wahrscheinlich nie zu finden sind, enthüllen die erstaunliche Komplexität, die im einfachsten Molekül der Erde verborgen ist: H₂O.
Die überraschend komplexe Welt des Wassers
Das Herzstück aller Eisarten ist das Wassermolekül selbst, das aus einem Sauerstoffatom besteht, das in einem Winkel von 104,5 Grad an zwei Wasserstoffatome gebunden ist. Was sich zwischen verschiedenen Eisformen ändert, ist nicht das Molekül, sondern die Art und Weise, wie diese Moleküle über schwache Wasserstoffbrückenbindungen interagieren. Diese Bindungen, die außerordentlich temperatur- und druckempfindlich sind, bestimmen die Anordnung zu kristallinen Strukturen.
Diese Anordnungen können vom hexagonalen Prisma gewöhnlichen Eises bis hin zu kubischen, rhomboedrischen und tetragonalen Gittern reichen, die alle durch das Verhalten dieser Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt werden. Diese Empfindlichkeit verleiht Wasser das, was Forscher als „quantenähnliches Verhalten“ bezeichnen – das bedeutet, dass kleine Änderungen der Bedingungen Moleküle in dramatisch unterschiedliche Beziehungen zwingen können.
Wie Wissenschaftler exotisches Eis erschaffen
Um diese verborgenen Formen zu erschließen, wenden Wissenschaftler extreme Bedingungen an. Dazu gehört die Anwendung von Drücken bis zum 3.000-fachen des Atmosphärendrucks oder das Kühlen von Wasser auf -330 °F (-200 °C) mit Zusätzen wie Kaliumhydroxid, manchmal wochenlang.
Der neueste Durchbruch, veröffentlicht in Nature Materials, ist Ice XXI, eine flüchtige, blockige Kristallstruktur, die unter starker Kompression entsteht. Forscher beobachteten diese vorübergehende Form mit einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser – im Wesentlichen einer Hochgeschwindigkeitskamera, die in der Lage ist, Phänomene einzufangen, die nur für kurze Momente existieren.
„Wenn wir Dinge sehr, sehr schnell betrachten, können wir seltsame und wundervolle Phänomene beobachten“, erklärt Ashkan Salamat, ein physikalischer Chemiker an der University of Nevada, Las Vegas.
Jenseits der Erde: Wo exotische Eissorten existieren könnten
Während diese exotischen Eisstrukturen auf der Erde nicht natürlich vorkommen, können sie im Inneren entfernter Planeten oder Monde vorkommen. Tief im Inneren von Neptun oder gefangen in eisigen Monden könnten Drücke und Temperaturen die Bildung dieser Strukturen ermöglichen.
Vorerst bleibt jedoch das Labor die primäre Grenze für Entdeckungen. Salamat betont: „Es gibt immer noch neue und aufregende Dinge, die wir entdecken können.“ Diese Forschung erweitert unser Verständnis der Materie unter extremen Bedingungen und weist auf die Möglichkeit hin, dass noch seltsamere Eisformen noch gefunden werden können.
Die Suche nach exotischem Eis ist nicht nur eine akademische Übung. Es enthüllt grundlegende Eigenschaften von Wasser und der Materie selbst und verschiebt die Grenzen dessen, was wir im einfachsten und zugleich wichtigsten Molekül im Universum für möglich gehalten haben.
