Polymorphie vom H/D-Untergitter in Eis

Dieses Projekt dreht sich um Eiskristalle. Die meisten von uns kennen die Schönheit gefrorener Seen, Schneekristalle im Winter oder Eiswürfel, um das Getränk kalt zu halten. Eine Schneeflocke, egal ob sie im Labor erzeugt oder in der Natur in Wolken gebildet wird, weist immer eine hohe Symmetrie und sechs identische Arme auf. Doch wenn man auf molekulare Längenskalen blickt, wie H2O-Moleküle miteinander verbunden sind, ist der Eiskristall keineswegs perfekt. In der physikalischen Chemie wird normales Eis aufgrund der sechsfachen Symmetrie als hexagonales Eis (Eis Ih). Es wird jedoch auch als frustrierter Kristall bezeichnet, weil es nur teilweise symmetrisch ist. Wenn man nur die H-Atome und O-Atome betrachtet, findet man perfekte sechsfache Symmetrie für die O-Atome, aber die H-Atome befinden sich mehr oder weniger zufällig, ungeordnet an verschiedenen Positionen. Das bedeutet, dass jedes einzelne Wassermolekül in eine andere Richtung zeigt. In diesem Projekt werden wir Methoden untersuchen, wie man einen perfekten, vollständig geordneten Kristall herstellen kann in dem auch alle H-Atome an Positionen sind, die durch Symmetrie gut definiert sind. Dies wird als das vollständig geordnete Eis bezeichnet und existiert nur bei sehr niedrigen Temperaturen im Fall von gewöhnlichem Eis bei Temperaturen unter -200C. Diese Art von Eis wurde erst in den 1970er Jahren entdeckt und ist heute als Eis XI bekannt. Dieser Übergang von einem ungeordneten Eiskristall zu einem geordneten Eiskristall bei Abkühlung ist nicht nur für das Eis bekannt, das wir auf der Erde finden. Es tritt auch für exotische Eiskristalle auf, die im Weltraum vorkommen, z.B. im Inneren der Eismonde von Jupiter und Saturn oder im Kern der Eisriesen Uranus und Neptun. Solche Eisformen werden als Hochdruckeis bezeichnet, wobei derzeit insgesamt neunzehn verschiedene Formen (Eis I bis Eis XIX) im Labor hergestellt werden können. Eis XIX wurde in der Tat erst vor wenigen Jahren gleichzeitig von Prof. Komatsu in Tokio und Prof. Loerting in Innsbruck entdeckt, die nun im Rahmen des vorliegenden Projekts zusammenarbeiten. Diese exotischen Eisformen haben ganz besondere Eigenschaften: Einige von ihnen verhalten sich wie Metalle, andere schmelzen erst bei Temperaturen von über 1000C und sie weisen sehr unterschiedliche Symmetrien auf, von monoklin bis kubisch. In diesem Projekt versuchen wir, den Übergang von Ordnung zu Unordnung für alle Arten Hochdruckeis zu verstehen und herauszufinden, wie schnell die Ordnung sich ausbildet, wie Defekte im Eiskristallgitter die Ordnung beschleunigen. Möglicherweise wird diese Forschung es uns ermöglichen, bisher unbekanntes Eis im Labor zu entdecken. Wir werden dann Infrarotspektren aufzeichnen und das Eis hinsichtlich seiner Kristallstruktur, Dichte und vieler anderer Eigenschaften charakterisieren. Besonders die spektroskopischen Daten für das Eis werden von großer Bedeutung sein, um die Formen von Eis zu erkennen, die im Weltraum zu finden sind, z.B. auf den eisigen Polkappen des Mars, auf den Saturnringen, in interstellaren Staubwolken oder auf Monden und Planeten. Dies wird es Raumfahrtbehörden ermöglichen, die spektralen Signaturen von Eis zu verstehen, die sie durch Weltraumteleskope wie das James-Webb (JWST) beobachten. Unsere Labordaten werden auch relevant sein, um sogenannte Eisbeben zu verstehen seismische Ereignisse, die durch Schmelzen und Frieren von Eis VI und Eis VII im Inneren der Erde ausgelöst werden sowie um die Umwandlungen von Eis zu verstehen, die in Kryovulkanen in unserem Sonnensystem stattfinden, d.h. Vulkane, die Wasser/Eis ins All statt Lava in die Atmosphäre schleudern.