Wasser im festen Zustand ist viel weniger einfach, als es aussieht
Eis mag in einer Tiefkühlfach-Schale oder auf einem Wintersee vertraut wirken, doch Physiker behandeln es zunehmend als eines der überraschendsten Materialien der Natur. Laut einem neuen Bericht von Quanta Magazine haben Wissenschaftler allein im vergangenen Jahr drei neue Eisarten identifiziert, darunter zwei der bislang komplexesten beobachteten Eisphasen. Die Entdeckungen erweitern einen wachsenden Katalog, der bereits mehr als 20 bekannte Phasen kristallinen Eises umfasst.
Die Geschichte handelt nicht nur davon, dass es viele Eisarten gibt. Es geht darum, dass Wasser unter unterschiedlichen Bedingungen offenbar in der Lage ist, sich zu einer außergewöhnlichen Bandbreite fester Strukturen selbst zu organisieren. Forscher sagen nun, dass Computersimulationen Zehntausende möglicher Eisformen vorhergesagt haben. Das bedeutet nicht, dass alle im Labor oder in der Natur gefunden werden, aber es deutet darauf hin, dass die Wissenschaft mit einem deutlich reicheren Phasenraum gearbeitet hat, als frühere Annahmen zuließen.
Warum Eis Physiker immer wieder überrascht
Der Grund liegt in der Geometrie des Wassers selbst. Quanta beschreibt jedes Wassermolekül als ein Sauerstoffatom, das mit zwei Wasserstoffatomen verbunden ist, wobei zwei Paare freier Elektronen die effektive Form des Moleküls zu etwas mit vier, durch elektromagnetische Kräfte auseinandergehaltenen Armen erweitern. Diese Struktur verleiht Wasser eine ungewöhnliche Flexibilität darin, wie es sich zu wiederkehrenden kristallinen Anordnungen organisieren kann.
Im gewöhnlichen Eis bilden diese Moleküle eine luftige sechseckige Struktur. Diese offene Anordnung macht herkömmliches Eis weniger dicht als flüssiges Wasser, weshalb Eis schwimmt und Seen von oben nach unten zufrieren. Unter Druck kann Wasser jedoch in ganz andere Muster gepresst werden. Ändert man die Temperatur, den Druck oder die Geschwindigkeit, mit der diese Bedingungen angewendet werden, können sich die Moleküle in neuen kristallinen Zuständen anordnen.
Marius Millot vom Lawrence Livermore National Laboratory sagte Quanta, dass selbst subtile Änderungen darin, wie Wasser komprimiert wird, völlig unerwartetes Verhalten offenbaren können. Dieser Hinweis erklärt, warum das Feld an Fahrt gewonnen hat. Während Forscher experimentelle Methoden verbessern und alte Annahmen hinter sich lassen, entdecken sie Strukturen, die zuvor durch die Schwierigkeit, sie zu erzeugen oder zu erkennen, verborgen waren.
