In einem beispiellosen wissenschaftlichen Durchbruch ist es einem Forscherteam gelungen, einen völlig neuen Weg der Wasserkristallisation zu identifizieren, was zur Entdeckung einer neuen und unbekannten Eisphase führte, die als „Eis XXI“ bekannt ist. Diese Entdeckung verbessert unser Verständnis darüber, wie sich Eis unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen bildet.
Wie sich Eis unter hohem Druck bildet
Normalerweise gefriert Wasser zu Eis, wenn seine Temperatur unter den Gefrierpunkt von null Grad Celsius fällt. Druck kann jedoch eine entscheidende Rolle im Kristallisationsprozess spielen, wobei sich Eis bei viel höheren Temperaturen als dem normalen Gefrierpunkt bilden kann, wenn genügend hoher Druck ausgeübt wird.
Zum Beispiel verwandelt sich Wasser bei einem Druck von mehr als 0,96 Gigapascal bei Raumtemperatur in Eis VI. Diese Prozesse führen zu einer komplexen Umstrukturierung des Wasserstoff-verknüpften Gitters zwischen den Wassermolekülen, was zu unterschiedlichen Eisstrukturen führt, die von den umgebenden Bedingungen abhängen.
Geschichte der Eiserforschung
Im Laufe des letzten Jahrhunderts konnten Wissenschaftler 20 verschiedene kristalline Formen von Eis identifizieren, indem sie Druck und Temperatur variierten. Diese Formen existieren in einem breiten Bereich, der über 2000 Kelvin in der Temperatur und 100 Gigapascal im Druck hinausgeht. Eine der komplexesten Regionen im Phasendiagramm von Wasser ist der Bereich zwischen atmosphärischem Druck und 2 Gigapascal, wo sich mehr als zehn verschiedene Eisphasen ansammeln.
Fortschrittliche Techniken hinter der Entdeckung
Ein Team des Koreanischen Instituts für Wissenschaft und Technologie (KRISS) konnte einen hochkomprimierten flüssigen Zustand erzeugen, in dem Wasser bei einem Druck von über 2 Gigapascal flüssig blieb, was mehr als das Doppelte des normalerweise für die Kristallisation erforderlichen Drucks ist. Dies wurde mit einer dynamischen Diamant-Ambosszelle (dDAC) erreicht, einem am KRISS entwickelten Hochdruckinstrument.
Die dDAC zeichnet sich durch die Reduzierung mechanischer Schocks und die Verkürzung der Druckzeit von mehreren Sekunden auf nur 10 Millisekunden aus, was es ermöglicht, Wasser tief in den Druckbereich von Eis VI zu drücken, während es flüssig bleibt.
Internationale Zusammenarbeit in der Forschung
An dieser Entdeckung waren 33 Forscher aus Südkorea, Deutschland, Japan, den USA und England beteiligt, in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Europäischen XFEL und DESY. Das Projekt wurde vom Koreanischen Institut für Wissenschaft und Standards (KRISS) unter der Leitung von Dr. Lee Geon Woo vorgeschlagen und geleitet.
Bedeutung der Entdeckung
Das neue Eis, Eis XXI, hat eine große und komplexe Einheitszelle im Vergleich zu anderen bekannten Phasen. Diese Entdeckung könnte ein tieferes Verständnis der Eisbildung in ähnlichen Umgebungen bieten, wie in den hochdruckigen Eisschichten der Monde von Jupiter und Saturn, was neue Hinweise auf die Erforschung der Ursprünge des Lebens unter extremen Bedingungen im Weltraum liefern könnte.
Fazit
Die Entdeckung von Eis XXI stellt einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der Hochdruckphysik und der Planetenwissenschaften dar. Der Einsatz fortschrittlicher Techniken wie der dDAC und der europäischen XFEL-Einrichtungen hat geholfen, diese bahnbrechenden Ergebnisse zu erzielen. Mit der Fortsetzung der Forschung auf diesem Gebiet könnten wir weitere Entdeckungen erleben, die neue Horizonte in der Wissenschaft eröffnen.