Eis unter Hoch­druck: Bay­reu­ther For­scher beob­ach­ten erst­mals den Struk­tur­wan­del von Eiskristallen

Eis­wür­fel im Kühl­schrank oder Eis­zap­fen an der Dach­rin­ne sind ver­trau­te All­tags­bei­spie­le für gefro­re­nes Was­ser. Phy­si­ka­lisch gese­hen, han­delt es sich dabei um eine von ins­ge­samt 17 bekann­ten Arten von Eis. Die­se unter­schei­den sich durch ihre Kri­stall­struk­tu­ren und Ent­ste­hungs­be­din­gun­gen und wer­den als Eis­pha­sen bezeich­net. For­schern am Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI) der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ist es jetzt im Labor gelun­gen, einen vor mehr als vier Jahr­zehn­ten vor­her­ge­sag­ten, doch bis­her nie bewie­se­nen Über­gang zwi­schen zwei Eis­pha­sen zu erzeu­gen und zeit­gleich zu beob­ach­ten. In Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons berich­ten sie über ihren unge­wöhn­li­chen Forschungserfolg.

Das Bay­reu­ther For­scher­team um Dr. Tho­mas Mei­er hat eine win­zi­ge Was­ser­pro­be in eine Dia­mant­stem­pel­zel­le ein­ge­setzt und hier einem Kom­pres­si­ons­druck von bis zu 100 Giga­pas­cal (eine Mil­li­on Atmo­sphä­ren) aus­ge­setzt. Zunächst bil­de­te sich die Eis­pha­se VII, dar­aus ent­wickel­te sich durch den wei­ter anstei­gen­den Druck die Eis­pha­se X. Die­sen Pha­sen­über­gang konn­ten die Wis­sen­schaft­ler live beob­ach­ten, weil Magnet­fel­der in den Dia­mant­stem­pel­zel­len eine zeit­glei­che NMR-spek­tro­sko­pi­sche Unter­su­chung der Pro­ben ermög­lich­ten. Für die­se Kom­bi­na­ti­on von Hoch­druck­for­schung und NMR-Spek­tro­sko­pie war das BGI kürz­lich als „Aus­ge­zeich­ne­ter Ort im Land der Ideen“ aus­ge­wählt wor­den. Wie die Bay­reu­ther For­scher her­aus­fan­den, spie­len die Was­ser­stoff­brücken zwi­schen benach­bar­ten Mole­kü­len eine ent­schei­den­de Rol­le beim Struk­tur­wan­del von Eis­pha­se VII zu Eis­pha­se X. Der hohe Kom­pres­si­ons­druck bewirkt, dass Was­ser­stoff­ato­me in das unter Nor­mal­be­din­gun­gen unzu­gäng­li­che Zen­trum der Was­ser­stoff­brücken gepresst werden.

Die neu­en Erkennt­nis­se sind ein Bei­spiel für das unge­wöhn­li­che Poten­zi­al der Kom­bi­na­ti­on von Hoch­druck­for­schung und NMR-Spek­tro­sko­pie. Dadurch las­sen sich theo­re­ti­sche Berech­nun­gen von Mate­ri­al­struk­tu­ren und ihrer Dyna­mik erst­mals empi­risch über­prü­fen und veri­fi­zie­ren. Die so gewon­ne­nen Erkennt­nis­se kön­nen wie­der­um weg­wei­send für tech­no­lo­gi­sche Inno­va­tio­nen sein. Dies gilt auch für die Erfor­schung der Eis­pha­sen. „Bis­lang gal­ten theo­re­ti­sche Berech­nun­gen und Model­lie­run­gen der Kri­stall­struk­tu­ren, durch die sich die diver­sen Eis­pha­sen unter­schei­den, als ein eher exo­ti­sches Gebiet der Phy­sik. Doch wenn es jetzt dank unse­rer neu­en For­schungs­tech­no­lo­gie gelingt, die­se Struk­tu­ren bes­ser zu ver­ste­hen und sie mit hoher Prä­zi­si­on im Labor zu erzeu­gen, wird die Ent­wick­lung von Quan­ten­com­pu­tern mög­li­cher­wei­se eini­ge ent­schei­den­de Schrit­te vor­an­kom­men. Die­se Com­pu­ter nut­zen die Geset­ze der Quan­ten­me­cha­nik für die Daten­ver­ar­bei­tung und könn­ten sich eines Tages im Ver­gleich mit unse­ren klas­si­schen Rech­nern als viel lei­stungs­fä­hi­ger erwei­sen“, erklärt Dr. Tho­mas Meier.

Ver­öf­fent­li­chung:
Tho­mas Mei­er et al.: Obser­va­ti­on of nuclear quan­tum effects and hydro­gen bond sym­me­tri­sa­ti­on in high pres­su­re ice. Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons (2018), 9. DOI: 10.1038/s41467-018–05164‑x

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