Forscher entschlüsseln Struktur von superionischem Wasser mit Röntgenlaser
Superionisches Wasser könnte für die besonderen Magnetfelder von Uranus und Neptun verantwortlich sein. Forscher haben es mithilfe von Röntgenlasern analysiert.
Schematische Darstellung der Struktur von superionischem Wasser
(Bild: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)
Eine internationale Forschergruppe hat eine bis dato unbekannte Form von superionischem Wasser entdeckt. Der experimentelle Nachweis wurde unter anderem am European XFEL erbracht, wie die Forschungsanlage in Hamburg mitgeteilt hat.
Das Team der Universität in Rostock, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und des Centre national de la recherche scientifique (CNRS) Ecole Polytechniques in Palaiseau hat mithilfe der Röntgenlaser des European XFEL und der Linac Coherent Light Source (LCLS) am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) superionisches Wasser erzeugt. Das ist eine exotische, elektrisch hochleitfähige Phase des Wassers, die möglicherweise im Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun vorkommt. Die Ergebnisse hat das Team in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Superionisches Wasser entsteht nur unter extremen Temperaturen und Drücken. In diesem Zustand bewegen sich Wasserstoffionen durch ein festes Gitter aus Sauerstoffarmen. Das Wasser ist in diesem Zustand besonders gut elektrisch leitfähig.
Röntgenlaser beschießen Wasser
Die Forscher versetzen Wasserproben am XFEL und der LCLS in diesen Zustand. Dazu wurde das Wasser mit Drücken von mehr als 1,5 Millionen Atmosphären komprimiert und auf tausend Grad Celsius aufgeheizt. Dank der ultrakurzen Röntgenblitze konnten sie die atomare Struktur innerhalb von Billionstel Sekunden aufzeichnen.
So konnten die Forscher die Struktur des superionischen Wassers entschlüsseln. Dabei ordnen sich die Sauerstoffatome sowohl kubisch flächenzentriert als auch als dicht gepackte Stapel in sechseckigen Mustern an. Da beide Formen zusammen auftreten, bilden die Sauerstoffatome eine hybride, fehlstrukturierte Abfolge. Dieses Muster kann nach Angaben der Forscher mithilfe von Hochleistungsröntgenlasern wie dem XFEL sichtbar gemacht werden.
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Es wird vermutet, dass superionisches Wasser im Innern von Eisriesen wie Uranus und Neptun in unserem Sonnensystem vorkommt. Durch seine hohe Leitfähigkeit könnten ihre ungewöhnlichen Magnetfelder entstanden sein. Wegen der großen Menge an Wasser im Inneren von Uranus und Neptun könnte superionisches Wasser damit die häufigste Form von Wasser in unserem Sonnensystem sein.
Bemerkenswerte Eigenschaften des Wassers
Die Ergebnisse zeigten, dass superionisches Wasser eine strukturelle Vielfalt aufweisen könne, die der von festem Eis ähnele, teilten die Forscher mit. Eis bildet je nach Druck und Temperatur sehr viele unterschiedliche Kristallstrukturen aus. Wasser offenbare „unter extremen Bedingungen immer wieder neue und bemerkenswerte Eigenschaften“.
Der XFEL ist derzeit einer der leistungsfähigsten Röntgenlaser der Welt. Er ist zugleich gigantisches Mikroskop und gigantische Kamera und ermöglicht es, zeitlich und räumlich hochaufgelöste Beobachtungen durchzuführen, etwa chemische Reaktionen in Echtzeit abzubilden oder die Zustände im Inneren von Planeten oder Sternen zu simulieren.
Seit Anfang Dezember wird die Anlage nach einer sechsmonatigen Wartungsphase wieder auf Betriebstemperatur heruntergekühlt. Wir waren vorher noch einmal dort.
(wpl)
