Aeroice: Eismodifikation mit extrem geringer Dichte entdeckt
Wasser hat viele Eisphasen, die sich unter verschiedenen Druck- und Temperaturbedingungen bilden. Die Auswirkungen des Überdrucks sind umfassend untersucht worden, die Ergebnisse einigermaßen vorhersehbar: Mit zunehmendem Druck steigt auch die Dichte des Eises.
Zeolitisches Eis ITT (links) und Aeroice 4xFAU (rechts) sind abgebildet. Ihre Struktur kann als eine Kombination von mehreren polyedrischen Bausteinen betrachtet werden. Im molekularen Maßstab besteht jede polygonale Fläche der Polyeder aus Wassermolekülen (links unten). Gelbe Linien sind Wasserstoffbrücken.
Masakazu Matsumoto/CC BY 2.0
Über die Auswirkungen extremen Unterdrucks auf Wassermoleküle ist jedoch viel weniger bekannt. Durch molekulardynamische Simulationen haben die Forscher eine signifikante Unterdruckregion erforscht und theoretisch eine neue Familie von Eisphasen entdeckt. Diese Eiskristalle haben die geringste Dichte aller bekannten Eiskristalle.
Masakazu Matsumoto, Associate Professor am Research Institute for Interdisciplinary Science an der Okayama University sagte: "Unsere Forschung, die zum ersten Mal eine ganze Unterdruckregion erfasst, ist ein bedeutendes Sprungbrett, um dieses riesige und komplizierte Territorium auf dem Phasendiagramm zu erforschen. Eis mit geringerer Dichte als normales Eis ist ebenfalls vielfältig."
Die Entdeckung soll das Verständnis der grundlegenden Eigenschaften und des Verhaltens von Wasser in Nanoröhrchen und anderen Nanoporen sowie in Biomolekülen beschleunigen.
Experimentell wurden 17 Eisphasen gefunden, jede davon nummeriert in der Reihenfolge ihrer Entdeckung. Nur zwei Phasen haben eine geringere Dichte als normales Eis.
2014 entdeckte ein Forscherteam eine Eisphase, die sich unter Unterdruck bildet: Eis XVI. Die Moleküle des Eises bilden eine Zeolithstruktur, einen 3-D-Kristallkäfig, in dem Gastmoleküle oder Atome eingeschlossen sind. Die Gastmoleküle (hier Neonpartikel) wurden entfernt, was zu einem stabilen Eis mit geringster Dichte bei hohen Unterdrücken führte. Mit einer ähnlichen Technik entdeckte eine weitere Gruppe von Forschern im Jahr 2016 das Eis XVII.
Die Forscher der Okayama University haben alle möglichen Eisphasen, die im Unterdruckgebiet noch zu erforschen sind, aufgedeckt. Da sie wussten, dass die Struktur von Siliziumdioxid (SiO2) und Eis weit verbreitet sind, holten sie 200 Siliziumdioxid-Zeolithe aus der Zeolith-Datenbank, die von der International Zeolite Association verwaltet wird. Insgesamt wurden mehr als 300 Strukturen ausgewertet.
Die Forscher ordneten die Atome in der SiO2-Struktur neu an, entfernten die beiden Sauerstoffatome und ersetzten in jedem Molekül das Siliziumatom durch ein Sauerstoffatom. Dann wurden die Wasserstoffatome hinzugefügt, so dass die Struktur der Eisregel folgte.
Im Dichtebereich, der nur etwa halb so groß ist wie bei flüssigem Wasser (~0,5 g/cm3), zeigten die Forscher, dass die neu entdeckte Eisphase stabiler ist als jedes bisher untersuchte Zeolitheis. Die Forscher simulierten sogar weniger dichte Eisstrukturen - zwischen 0 und 0,5 Gramm pro Kubikzentimeter - indem sie polyedrische Bausteine zu den zeolithischen Gerüsten hinzufügten, um den Platzhalter zu bilden und gleichzeitig die strukturelle Regel für Eis zu erfüllen.
"Diese neuen Strukturen sind die Aeroices", sagt Matsumoto, "und sie können unter bestimmten thermodynamischen Bedingungen stabiler sein als Zeolitheis unter Unterdruck."
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