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Den Eigenschaften von Eis und Schnee auf der Spur: Der Chemiker Thomas Lörting @Uni Innsbruck

Bereits vor drei Jahren haben Chemiker*innen der Universität Innsbruck Hinweise für die Existenz einer neuen Variante von Eis gefunden. Nun liefert das Team um Thomas Lörting die Aufklärung der Kristallstruktur von Eis XIX mittels Neutronenbeugung.

Eis ist ein sehr vielfältiges Material. In Schneeflocken oder Eiswürfeln sind die Sauerstoffatome hexagonal angeordnet und die Wasserstoffatome zufällig verteilt. Diese Eisform wird als Eis I bezeichnet.

„Streng gesehen sind das aber eigentlich überhaupt keine Kristalle, sondern ungeordnete Systeme, in denen die Wassermoleküle zufällig in verschiedene Raumrichtungen orientiert sind.“ – Thomas Lörting (Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck)

Eis VI und Eis VII als Einschlüsse in Diamanten

Bisher waren 18 kristalline Eisformen bekannt. Diese unterscheiden sich in der Anordnung ihrer Atome. Die verschiedenen Eisarten bilden sich abhängig von Druck und Temperatur und haben sehr unterschiedliche Eigenschaften. Beispielsweise unterscheiden sich die Schmelzpunkte um mehrere hundert Grad Celsius. „Vergleichbar ist das mit Diamanten und Grafit, die beide aus reinem Kohlenstoff bestehen.“, erklärt der Chemiker Lörting.

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Modell von Eis VI, die großen roten und blauen Kugeln stellen Sauerstoff-Atome, die kleinen Kugeln Wasserstoff-Atome dar. @Uni Innsbruck

Während herkömmliches Eis und Schnee auf der Erde vielfach vorhanden ist, findet man auf der Oberfläche unseres Planeten – außer in Forschungslaboren – keine anderen Eisformen. Die Hochdruckformen Eis VI und Eis VII sind jedoch als Einschlüsse in Diamanten zu finden und wurden daher von der Internationalen Mineralogischen Vereinigung (IMA) in die Liste der Mineralien aufgenommen.

Von der Mutterform Eis VI zum Geschwisterpaar Eis XV & Eis XIX

Wird herkömmliches Eis I stark abgekühlt, können sich bei korrekter Experimentführung neben dem Sauerstoff auch die Wasserstoffatome periodisch anordnen. Unterhalb von minus 200 Grad Celsius kann es so zur Bildung von sogenanntem Eis XI kommen, in dem alle Wassermoleküle nach einem bestimmten Muster geordnet sind.

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Abbildung zeigt die Struktur von Eis VI und XIX und die Unterschiede in ihren Beugungsmustern (rot für Eis XIX und blau für Eis VI). @Uni Innsbruck

In der aktuellen Arbeit behandeln die Innsbrucker Chemiker*innen die Mutterform Eis VI, die unter hohem Druck zum Beispiel im Erdmantel entsteht. Vor zwölf Jahren haben Forscher*innen an der Universität Innsbruck eine wasserstoffgeordnete Variante dieses Eises erzeugt: Eis XV.

Vor drei Jahren gelang es dem Team um Thomas Lörting, eine zweite geordnete Form für Eis VI zu erzeugen. Die Wissenschafter*innen haben dazu den Abkühlprozess deutlich verlangsamt und den Druck auf rund 20 kbar erhöht. So war es möglich, die Wasserstoffatome in einer zweiten Art und Weise im Sauerstoffgitter anzuordnen und Eis XIX herzustellen.

Eis XV und Eis XIX stellt das erste Geschwisterpaar in der Eisphysik dar, bei dem das Sauerstoffgitter gleich ist, aber eine unterschiedliche Ordnung der Wasserstoffatome realisiert ist.

Die Lösung der Kristallstruktur von Eis XIX

„Wir fanden damals klare Hinweise darauf, dass es sich um eine neue geordnete Variante handelt, konnten aber die Kristallstruktur noch nicht aufklären.“ – Thomas Lörting (Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck)

Nun gelang Lörting und seinem Team die Strukturaufklärung durch Neutronenbeugung. Für die Aufklärung der Kristallstruktur war eine technische Hürde zu überwinden. Bei einer Untersuchung mittels Neutronenbeugung ist es notwendig, den sehr leichten Wasserstoff im Wasser durch Deuterium („schweren Wasserstoff“) zu ersetzen.

„Leider verändert sich dadurch auch das Verhalten im Herstellungsprozess des Eises.“ (…) Doktorand Tobias Gasser hatte dann aber die entscheidende Idee, indem er dem schweren Wasser einige Prozent normales Wasser hinzugefügt hatte.“ – Thomas Lörting (Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck)

Mit dem so gewonnenen Eis konnten die Innsbrucker Wissenschafter*innen schließlich am Rutherford Appleton Laboratory in England Neutronendaten am hochauflösenden HRPD-Instrument messen und in mühevoller Kleinarbeit die Kristallstruktur von Eis XIX lösen.

 

Publikation:
Structural characterization of ice XIX as the second polymorph related to ice VI. Nature Communications 2021
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21161-z

 

Rückfragehinweis:
Thomas Lörting
Institut für Physikalische Chemie
Universität Innsbruck
E-Mail: thomas.loerting@uibk.ac.at
Web: www.loerting.at

(LB)
Quelle: Universität Innsbruck
Fotos: © Universität Innsbruck