Ordnung in frustriertem Eis Mit Druck und Doping zu neuen Eisstrukturen

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Schnee, der bei Raumtemperatur hält? Im Labor können Forscher spezielle geordnete Eisformen mit ungewöhnlichen Eigenschaften erzeugen, was oft eine langwierige Aufgabe ist. Ein Team der Universität Innsbruck hat neue Methoden entwickelt, um so genanntes „frustriertes Eis“ in Stunden statt Jahren unter Laborbedingungen zu erzeugen.

In Kristallen sind die Moleküle nach einem bestimmten Muster geordnet, das sich prinzipiell bis ins Unendliche fortführen lässt. Bei Schnee und Eis gilt diese Regel jedoch nur für die Sauerstoff-Atome. Die Wasserstoffatome hingegen sind ungeordnet, zeigen in eine beliebige Richtung des Raums. Das ist wichtig für die mechanischen und elektrischen Eigenschaften eines Eiskristalls, zum Beispiel seine Beweglichkeit – Berggletscher fließen nur wegen der ungeordneten Struktur der Wasserstoffatome.

„Diese Eigenschaften ändern sich allerdings, sobald die Wasserstoffatome sich ordnen und nur in eine Richtung zeigen“, erklärt Thomas Lörting, assoziierter Professor am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck. „Das Eis wird spröde, isoliert elektrische Ladungen – und wird zu einer ganz anderen Eisform.“ In einer neuen Veröffentlichung haben Lörting und Christina M. Tonauer, Hauptautorin der Studie, neue Strategien entwickelt, um solche geordneten Eisformen unter Laborbedingungen herzustellen.

Eis in verschiedensten Formen

Zwanzig verschiedene Eisformen sind bisher bekannt. Eis I, auch hexagonales Eis genannt, kennen wir als gewöhnlichen Schnee und Eis auf der Erdoberfläche. Andere Formen wie Eis VI oder Eis VII benötigen viel höheren Druck, um zu entstehen und kommen im Erdmantel vor. Dass sie dort nicht schmelzen, liegt an der dichtgepackten Molekülstruktur, die Temperaturen bis 600 °C aushalten kann. Auch im Weltall sind bisher 13 verschiedene Arten von Eis nachgewiesen worden, beispielsweise im Inneren der Eisgiganten Uranus und Neptun oder auf den Eismonden von Jupiter und Saturn, deren Oberflächen von kilometerdicken Eisschichten überzogen sind. Auf der Erde könnte solches Eis theoretisch existieren – das Doppelte der maximal sechs Kilometer tiefen Eisschichten der Antarktis wäre notwendig, um Eis I in Eis II umzuwandeln, bei entsprechend hohem Druck.

„Gefangenes Wasser“

Mit diesem Clou gefriert Wasser nie zu Eis

Wenn Eiskristalle frustriert sind

„Um neue Eisformen im Labor entstehen zu lassen, sind zunächst sehr niedrige Temperaturen von ungefähr -200 °C nötig“, erklärt Erstautorin Tonauer. „Das Problem ist: Wasserstoffatome wollen sich bei dieser Kälte zwar ordnen, sind aber dafür viel zu langsam. Wir nennen solche Eiskristalle ‚frustriert‘.“

Sogar noch langsamer sind die schwereren Deuterium-Atome (D), die Forscher in so genanntem „schweren Wasser“ (D₂O) anstelle des Wasserstoffs (H) einsetzen. Dieses schwere Wasser und das daraus gebildete Eis ist aber nötig, um in Experimenten die Entstehung von Eisstrukturen besser zu verstehen. „Wir mussten also Strategien entwickeln, um die Atome trotz der niedrigen Temperaturen in Bewegung zu halten“, sagt Tonauer.

Druck und Doping bringt Bewegung ins Eis

Zwei verschiedene Herangehensweisen hat das Team aus Innsbruck erarbeitet. Die erste Methode sieht vor, Eis unter Druck zu setzen. Bei 8.000 bar – ca. das Achtfache des Drucks am Grund des Marianengrabens – werden die Wassermoleküle praktisch gezwungen, sich zu bewegen. Dieser Vorgang dauert nicht länger als einen Tag.

Eine zweite Methode beinhaltet die Zugabe eines „Doping-Mittels“ zu schwerem Wasser. Dazu werden kleine Mengen von H- Atomen beigemischt, die leichter, schneller und somit mobiler sind und daher als „Doping-Mittel“ für das schwerere D₂O-Eis wirken. Zudem werden kleine Mengen an Säure hinzugegeben, wodurch absichtlich Löcher in der Kristallstruktur erzeugt werden, die den Atomen mehr Platz zum Umordnen verschaffen. Durch diese beiden Formen des Dopings wird der Übergang eines frustrierten Kristalls in einen geordneten Kristall bis zu 100.000-fach beschleunigt und spielt sich in Stunden statt Jahren ab.

Diese Methode wurde mit einer für sieben Jahre unter flüssigem Stickstoff gelagerten „ungedopten“ Eisprobe verglichen, welche Tonauer von einer Vorgängerin übernahm. Über die Jahre hatte das Eis in dieser Probe sich von selbst geordnet. Diese Beobachtung legt nahe, dass Eis sich im Weltraum über große Zeiträume hinweg ordnet. Die Erforschung von solchen geordneten Eiskristallen im Labor erfordert also entweder jahrelange Geduld oder aber den Einsatz der hier neu entwickelten Herstellungsstrategien.

Anwendungsfelder von Weltraumforschung bis Materialwissenschaft

Obwohl diese Strategien anhand von Eis XIV entwickelt wurden, lassen sie sich auch für die anderen bekannten Eisformen anwenden. Außerdem eröffnen sie die Möglichkeit, noch weitere Eisformen zu entdecken. Nach aktuellem Forschungsstand wird vermutet, dass insgesamt 56 Eisformen existieren könnten. „Das würde heißen, dass noch einiges an Arbeit auf uns wartet“, sagt Gruppenleiter Lörting.

Die Erkenntnisse zu Eisformen finden in verschiedenen Feldern ihre Anwendung. Sie sind wichtig für die Weltraumforschung, weil so die Bedingungen ergründet werden können, unter denen im Weltall Eis entsteht, und wo es zu finden ist. „Die Arbeit ist auch für die Materialwissenschaften von hoher Relevanz, denn viele Materialien haben eine ähnliche Struktur wie kristallines Eis“, sagt Tonauer. „Das ist bei Spin-Eis-Materialien der Fall, die magnetisch sind. Wir können also auch einiges über Magnete und für die Entwicklung von neuen funktionellen Materialien lernen“, erklärt die Erstautorin der Studie.

Warmer Schnee dank geordnetem Eis?

Die Forschung an geordnetem Eis führt aber auch zu ausgefalleneren Ideen. „Ich werde immer gefragt, ob wir denn nicht Schnee herstellen könnten, der bei Raumtemperatur stabil ist, um auch im Sommer Skifahren zu gehen“, sagt Lörting amüsiert. Solche geordneten Formen von Eis seien prinzipiell dafür geeignet. Es hätten sich auch schon einige Leute Gedanken dazu gemacht, wie so ein warmer Schnee umzusetzen wäre, erzählt der Forscher: „Ein Vorschlag war zum Beispiel, Spannungen von mehreren 10.000 Volt an Skipisten anzulegen, um die Eiskristalle zu ordnen. Da würde ich persönlich aber nicht gerne drauf fahren wollen.“

Originalpublikation: Christina M. Tonauer, Elisabet Hauschild, Silvia Eisendle, Violeta Fuentes-Landetea, Keishiro Yamashita, Lars Hoffmann, Roland Böhmer, Thomas Loerting: Strategies to obtain highly ordered deuterated ices presented on the example of ice XIV, PNAS Nexus, Volume 2, Issue 12, December 2023; DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad418

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