Wissenschaftler Entdecken Neue Hexagonale Eisform bei Über 2 Millionen Atmosphären Druck

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Forscher haben experimentell eine hexagonal dichteste Kugelpackung (HCP) Eisphase beobachtet, die bei Drücken über 200 GPa und Temperaturen über 1800 K dominiert und damit frühere Annahmen über ausschließlich kubisches Eis XVIII in diesem Bereich herausfordert.

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals experimentell eine Eisphase mit hexagonal dichtester Kugelpackung (HCP) identifiziert, die bei Drücken über 200 Gigapascal (etwa 2 Millionen Atmosphären) und Temperaturen über 1800 Kelvin zur vorherrschenden Form wird. Vor dieser Entdeckung war unter diesen extremen Bedingungen nur die kubisch flächenzentrierte (FCC) Sauerstofflagenpackung – bekannt als Eis XVIII – bekannt.

Um die Hochdruck- und Hochtemperaturumgebung zu simulieren, verwendeten die Forscher eine Diamant-Amann-Zelle, um eine Wasserprobe in einem extrem kleinen Volumen zu komprimieren, während sie diese mit Lasern erhitzten. Die Eisstruktur wurde mittels Synchrotron-Röntgenbeugungstechniken analysiert. Die HCP-Phase dominierte oberhalb von 200 GPa und nahe 2000 K. In mittleren Druckbereichen wurde ein Koexistenzzustand von HCP- und FCC-Kristallstrukturen festgestellt.

Wasser ist einzigartig durch seine Fähigkeit, mehrere feste Phasen mit unterschiedlichen atomaren Anordnungen in den Kristallgittern zu bilden. Die HCP- und FCC-Phasen sind Varianten dichter atomarer Packung mit unterschiedlichen Stapelfolgen – ABAB für hexagonal und ABCABC für kubisch – und unterscheiden sich somit von typischen Eiskristallen. Dies deutet auf unterschiedliche physikalische Zustände des Wassers unter so extremen Drücken und Temperaturen hin.

Die Entdeckung von HCP-Eis hat Bedeutung für die Planetenwissenschaft, insbesondere zur Verfeinerung von Modellen der Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun. Direkte Untersuchungen der inneren Schichten dieser Planeten sind nicht möglich, daher stützen sich Forscher auf experimentelle Daten und physikalische Modellierungen. Die neuen Ergebnisse legen nahe, dass sich Sauerstoffatomschichten tief im Inneren in hexagonalen Sequenzen stapeln könnten, was mechanische und elektrische Eigenschaften im Vergleich zum kubischen Eis verändern könnte.

Diese strukturellen Unterschiede könnten Auswirkungen auf das Verständnis der Mantelschichtung und der ungewöhnlichen, nichtdipolaren Magnetfelder dieser Planeten haben. Die Forscher betonen, dass nun theoretische Untersuchungen zur Plastizität und elektrischen Leitfähigkeit von HCP-Eis erforderlich sind, ebenso wie weitere experimentelle Bemühungen, die Stabilitätsbereiche beider Phasen, HCP und FCC, unter solch extremen planetaren Bedingungen präzise zu bestimmen.