Neuartige Form von superionischem Wasser nachgewiesen

Einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung der Universität Rostock, der französischen CNRS-École Polytechnique und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf ist ein Durchbruch in der Hochdruckphysik gelungen. Mithilfe modernster Röntgenlaser an der European XFEL-Anlage sowie am SLAC in den USA konnte man erstmals eine bisher unbekannte Form von superionischem Wasser experimentell nachweisen. Diese exotische, elektrisch hoch leitfähige Phase entsteht ausschließlich unter extremen Bedingungen, wie sie im Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun vermutet werden.

Bei Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius und einem Druck von Millionen Atmosphären nimmt Wasser diesen ungewöhnlichen Zustand an. Dabei wandern Wasserstoffionen frei durch ein stabiles, festes Gitter aus Sauerstoffatomen, was die hohe elektrische Leitfähigkeit des Materials erklärt.

Meilenstein in Erforschung von Planeten

Diese spezielle Phase leitet elektrischen Strom außergewöhnlich gut. Daher steht sie im engen Verdacht, maßgeblich an der Entstehung der ungewöhnlichen Magnetfelder von Eisriesen beteiligt zu sein. In Anbetracht der gewaltigen Wassermengen, die sich im Inneren von Planeten wie Uranus und Neptun befinden, könnte superionisches Wasser somit sogar die am häufigsten vorkommende Form von Wasser in unserem gesamten Sonnensystem darstellen.

Neue Studie zeigt komplexe Details von Wasser

Obwohl superionisches Wasser bereits in früheren Experimenten künstlich erzeugt werden konnte, blieb seine exakte atomare Struktur bislang ein Rätsel. Bisherige wissenschaftliche Annahmen gingen davon aus, dass sich die Sauerstoffatome in superionischem Eis in einer von zwei Varianten eines regelmäßigen Würfelgitters anordnen. Diese sind entweder kubisch-raumzentriert mit einem zusätzlichen Atom in der Mitte oder kubisch-flächenzentriert mit Atomen auf den Außenflächen.

Die aktuelle Studie zeichnet jedoch ein wesentlich komplexeres Bild dieser exotischen Materie. Die Forschenden fanden heraus, dass superionisches Wasser tatsächlich eine hybride Struktur bildet, die kubisch-flächenzentrierte Schichten mit hexagonal dichtgepackten Stapelungen kombiniert. Bei letzteren handelt es sich um sechseckige Atommuster, die zusammen mit den kubischen Bereichen zu markanten Stapelfehlern führen. Anstatt einer perfekt regelmäßigen Anordnung bilden die Sauerstoffatome somit eine fehlstrukturierte Abfolge. Diese konnte erst durch die hochpräzisen Messungen modernster Röntgenlaser sichtbar gemacht werden.

Extreme Bedingungen hergestellt

Um diese tiefen Einblicke in die Materie zu gewinnen, führte das Team zwei aufwendige Experimente durch: eines am MEC-Instrument des LCLS in den USA und ein weiteres am HED-HIBEF-Instrument des European XFEL. Diese Hochleistungsanlagen ermöglichen es, Wasser auf einen Druck von über 1,5 Millionen Atmosphären zu komprimieren und auf mehrere tausend Grad Celsius zu erhitzen. Gleichzeitig kann die atomare Struktur in winzigen Zeitfenstern von Billionstel Sekunden präzise aufgezeichnet werden.

Die durch modernste Simulationen gestützten Ergebnisse verdeutlichen, dass superionisches Wasser eine strukturelle Vielfalt besitzt, die jener von gewöhnlichem festem Eis ähnelt, welches je nach Bedingungen ebenfalls unterschiedliche Kristallformen annimmt. Die Studie unterstreicht damit eindrucksvoll, dass Wasser trotz seiner scheinbaren Einfachheit unter extremen Bedingungen immer wieder neue, bemerkenswerte Eigenschaften offenbart. Darüber hinaus liefern die Befunde essenzielle Daten für verbesserte Modelle über das Innere und die Entwicklung von Eisriesen: Das ist eine Planetenklasse, die nicht nur in unserem Sonnensystem, sondern im gesamten Universum sehr häufig vorkommt.

Quelle

European XFEL (01/2026)