XFEL: Neuartige Form von superionischem Wasser nachgewiesen
Neuartige Form von superionischem Wasser nachgewiesen
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Rostock, der französischen CNRS-École Polytechnique und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf hat erstmals eine bislang unbekannte Form von superionischem Wasser nachgewiesen: Den Forschenden ist es durch Röntgenlaser von European XFEL und der Linac Coherent Light Source (LCLS) am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in den USA gelungen, experimentell eine exotische, elektrisch hoch leitfähige Phase zu entdecken. Möglicherweise kommt sie im Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun vor.
Schematische Darstellung der mikroskopischen Struktur von superionischem Wasser, in welchem die Sauerstoff-Atome ein festes Kristallgitter bilden, während Wasserstoff-Ionen darin quasi frei beweglich sind. Mit Hilfe starker Laser konnte dieser extreme Zustand, der sonst nur im Inneren von großen Planeten vorkommt, experimentell vermessen werden. (Bild: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)
Meilenstein in Erforschung von Planeten
Da diese sogenannte Phase elektrischen Strom besonders gut leitet, wird sie mit der Entstehung der ungewöhnlichen Magnetfelder von Eisriesen in Verbindung gebracht. Aufgrund der großen Wassermengen im Inneren von Uranus und Neptun könnte superionisches Wasser sogar die häufigste Form von Wasser in unserem Sonnensystem sein.
Neue Studie zeigt komplexe Details von Wasser
Obwohl superionisches Wasser bereits in früheren Experimenten erzeugt wurde, blieb seine detaillierte Struktur bislang ungeklärt. Bisherige Studien deuteten darauf hin, dass sich die Sauerstoffatome in superionischem Eis entweder in einer kubisch-raumzentrierten oder einer kubisch-flächenzentrierten Struktur anordnen, also in zwei Varianten eines Würfelgitters: Bei ersterer sitzt zusätzlich ein Atom in der Würfelmitte, bei letzterer auf jeder Würfelfläche.
Die neue Studie zeichnet jedoch ein deutlich komplexeres Bild. Die Forschenden fanden heraus, dass superionisches Wasser eine Struktur bildet, die sowohl kubisch flächenzentrierte als auch hexagonal dichtgepackte Stapelungen kombiniert. Letztere entsprechen einer Schichtung eng aneinanderlegender Atome in sechseckigen Mustern und führen zusammen mit den kubischen Bereichen zu deutlichen Stapelfehlern. Anstatt sich in einer einzigen regelmäßigen Konfiguration zu ordnen, bilden die Sauerstoffatome eine hybride, fehlstrukturierte Abfolge – ein Muster, das nur durch hochpräzise Messungen an modernsten Röntgenlasern sichtbar gemacht werden kann.
Um diese Erkenntnisse zu gewinnen, führte das Team zwei Experimente durch: eine am Matter in Extreme Conditions (MEC)-Instrument am LCLS in den USA und eine weitere am HED-HIBEF-Instrument am European XFEL. Diese Anlagen ermöglichen es den Forschenden, Wasser auf Drücke von mehr als 1,5 Millionen Atmosphären zu komprimieren und auf Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius zu erhitzen – und gleichzeitig seine atomare Struktur innerhalb von Billionstel Sekunden aufzuzeichnen.
Blick in die Struktur von Wasser schafft neue Möglichkeiten
Die Ergebnisse, die mit fortschrittlichsten Simulationen übereinstimmen, zeigen, dass superionisches Wasser eine strukturelle Vielfalt aufweisen kann, die der von festem Eis ähnelt, das je nach Druck und Temperatur eine Vielzahl unterschiedlicher Kristallstrukturen ausbildet. Die Arbeit unterstreicht, dass Wasser – trotz seiner scheinbaren Einfachheit – unter extremen Bedingungen immer wieder neue und bemerkenswerte Eigenschaften offenbart. Zudem liefern die Befunde wertvolle Randbedingungen für verbesserte Modelle des Inneren und der Entwicklung von Eisriesen, die auch außerhalb unseres Sonnensystems sehr häufig sind.
Das Projekt wurde im Rahmen einer gemeinsamen Initiative der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der französischen Forschungsförderagentur ANR unterstützt. Mehr als 60 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Europa und den USA waren an den Experimenten und der Auswertung beteiligt.
Original-Publikation: Observation of a mixed close-packed structure in superionic water
