[ vorherige ] [ nächste ] [ Übersicht nach Zeit ][ alphabetische Übersicht ]

(00272) 01.10.2002 13:11

Wassereis ist nicht gleich Wassereis: RUB-Forscher klären wie sich Eis unter Druck verdichtet


Bochum, 01.10.2002
Nr. 273

Wassereis ist nicht gleich Wassereis
Berechnet: Wie und wann sich Eis unter Druck verdichtet
RUB-Forscher klären wissenschaftliche Kontroverse

Unter extrem hohem Druck verändert gewöhnliches Wassereis seine Struktur
fundamental: Es entsteht besonders dichtes Eis, in dem die starken
Bindungen innerhalb des Wassermoleküls und die schwachen zwischen den
Wassermolekülen gleichwertig sind. Bei welchem Druck dies geschieht und
wie der Prozess abläuft, konnten internationale Forscher um Prof. Dr.
Dominik Marx (Lehrstuhl für Theoretische Chemie der RUB) nun erstmals
anhand theoretischer Berechnungen zeigen. Ihre Ergebnisse
veröffentlichen sie in der aktuellen Ausgabe der Physical Review
Letters.

Nur eine Variante: Eis aus dem Kühlschrank

Das Eis aus dem Kühlschrank, so wie es beim Gefrieren von Wasser
entsteht, ist nur eine Form von „Wassereis“: So wie Kohlenstoff als
schwarzer Graphit aber auch als glasklarer Diamant vorkommen kann, so
kann auch Eis in vielen sog. Modifikationen auftreten. Mittlerweile sind
bereits mehr als zehn verschiedene Kristallformen von Eis bekannt; das
Eis im Kühlschrank nennt die Wissenschaft Eis I_h. Es gehört zu den sog.
„molekularen Eisformen“, die aus intakten H2O Molekülen aufgebaut sind.
Sie bestehen aus zwei Wasserstoffatomen, die über je eine starke
chemische („kovalente“) Bindung mit einem Sauerstoffatom verbunden sind.
Zusätzlich sind die Wasserstoffmoleküle selbst über die viel schwächeren
und längeren Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft und
bilden somit eine Art Netzwerk im dreidimensionalen Raum.
Wasserstoffbrückenbindungen sind außerordentlich wichtige Bindungen, die
z.B. der DNA ihre berühmte Doppelhelixform geben oder auch Eiweißstoffe
„in Form“ halten.

Jahrzehntelange Spekulationen ums Eis X

Die Frage, was mit diesem Wasserstoffbrückennetzwerk passiert, wenn man
Eis durch Anwendung äußeren Drucks stark zusammendrückt, hat die
Wissenschaftler seit langer Zeit beschäftigt und zu Spekulationen
veranlasst. Vor etwa 25 Jahren spekulierten sie aus theoretischen
Überlegungen heraus, dass der Unterschied der kovalenten Bindungen und
der Wasserstoffbrückenbindungen beim Komprimieren des Eises immer
geringer würde. Im Grenzfall, so die Vermutung, sollte der Unterschied
sogar völlig verschwinden. Diese Eisform taufte Prof. Wilfried Holzapfel
„Eis X“ (X im Sinne der römischen Zahl 10), eine Bezeichnung, die bis
heute gebräuchlich ist.

Die Jagd nach Eis X und kontroverse Funde

Danach begann die „Jagd“ nach dem Eis X, die ein Vierteljahrhundert
dauerte. Erst gegen Ende der neunziger Jahre ergaben Experimente in
Hochdruckzellen, den sog. Diamantstempelzellen, deutliche Hinweise auf
Eis X. In solchen Zellen können Drücke erreicht werden, wie sie im
Erdinnern herrschen. Weltweit konnten bis jetzt nur drei Laboratorien in
Japan, den USA und Frankreich solche Experimente erfolgreich
durchführen. Sie führten aber prompt zu unterschiedlichen Ergebnissen
bzw. Interpretationen. Die Ergebnisse einer der drei Arbeitsgruppen
ergab einen deutlich höheren Druck, ab dem Eis X entsteht und zudem noch
die Existenz einer weiteren, bisher unbekannten Phase von Eis. Das
Phasendiagramm von Wasser, also die Stabilitätsbereiche der
verschiedenen Eisformen in Abhängigkeit von Druck und Temperatur, ist
von großer Bedeutung in vielen Bereichen der Wissenschaft wie z.B. in
der Astrobiologie oder in den Planetenwissenschaften.

Endlich Klarheit durch treffende Simulationen

Mit den theoretischen Methoden, die der Lehrstuhl für Theoretische
Chemie der Ruhr-Universität entwickelt und einsetzt, konnte nun in
Zusammenarbeit mit Dr. Magali Benoit (Montpellier, Frankreich) und Dr.
Aldo Romero (Santigao, Chile) die Kontroverse geklärt und der damit
verbundene Streit beigelegt werden. Aufwändige quantenmechanische
Computersimulationen der Experimente bei Zimmertemperatur gaben erste
Hinweise, dass die Interpretation der Daten der einen Gruppe womöglich
nicht ganz korrekt war. Die Bochumer Rechnungen veranlassten die
Experimentatoren, ihre alten Daten neu auszuwerten – und diese
Neuauswertung zeigte klar, dass man beim ersten Mal von irreführenden
Modellannahmen ausgegangen war. Die sehr realistischen
Computersimulation stimmten hingegen überzeugend mit den neuen
Messergebnissen überein. Damit belegen alle drei Experimente nun die
Theorie über die Existenz von Eis X – die Kontroverse hat sich in Wissen
verwandelt. Leider haben sich somit die Hoffnungen auf eine weitere,
exotische Phase von Eis „jenseits von Eis X“ aber auch in Luft
aufgelöst.

Berechnungen zeigen erstmals den Prozess im Detail

Aber die Rechungen haben noch mehr in sich: Sie zeigten sehr
detailliert, wie genau molekulares Eis in Eis X übergeht, d.h. wie sich
Wasserstoffbrückenbindungen und kovalente Bindungen aufgrund des äußeren
Drucks angleichen. Dies passiert über eine Art von Eis, bei dem die
Wasserstoffatome quasi „nicht mehr wissen, zu welchem Sauerstoffatom sie
gehören“, was dazu führt, dass sie dauernd zwischen ihren beiden
Nachbarn hin und her hüpfen. Dies wäre eine sehr dynamische Form von
Eis, die sich somit nicht mehr den berühmten statischen „Eisregeln“
fügt, die Linus Pauling u.a. in den 1930er-Jahren ausgearbeitet haben.
Andere Wissenschaftler haben bereits spekuliert, dass diese
unkonventionellen Formen der Wasserstoffbrückenbindungen, wie sie bei
Eis unter hohem Druck erzeugt werden, eine wichtige Rolle z.B. bei
solchen Enzymkatalysen spielen könnten, bei denen Wasserstoffbrücken und
-transfer an biochemischen Prozessen beteiligt sind.

Titelaufnahme

Magali Benoit, Aldo H. Romero and Dominik Marx: Reassigning
Hydrogen-Bond Centering in Dense Ice. In: Physical Review Letters, Band
89, Nr. 14, Seite 145501, (2002)

Weitere Informationen

Prof. Dr. Dominik Marx, Lehrstuhl für Theoretische Chemie, Fakultät für
Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-28083,
Fax: 0234/32-14045, Email: dominik.marx@theochem.ruhr-uni-bochum.de,
URL: http://www.theochem.ruhr-uni-bochum.de/



zurück zur Übersicht nach Zeit | alphabetisch