Wissenschaftler stellen Wasser-Kristalle mit extrem geringer Dichte her

Superleichtes Eis aus Göttingen

Superleichtes Eis XVI aus Göttingen: Wassermoleküle (kleine rote Punkte) werden durch Wasserstoffbrückenbindungen (weiße Verbindungen) zusammengehalten und bilden eine dreidimensionale Käfigstruktur. Normalerweise sind die Käfige mit Gas gefüllt – in Eis XVI sind sie leer. Foto: UMG/nh

Göttingen. Wissenschaftler der Universität Göttingen und des Instituts Laue-Langevin in Grenoble haben ein neues Wassereis hergestellt.

Die siebzehnte kristalline Form von Wasser mit dem Namen „Eis XVI“ ist die bislang am wenigsten dichte und damit leichteste Form von Wasser: Sie kristallisiert in einer Anordnung, die bisher nur in einer mit Gas gefüllten Form bekannt war. Damit wird zum ersten Mal der Einfluss der Wechselwirkungen zwischen Wasser- und Gasmolekülen im Experiment unmittelbar quantifizierbar. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Die Forscher stellten das Eis XVI her, indem sie die Ne-Clathrat – eine Verbindung von Neon und Wasser – auspumpten. Die resultierende Kristallstruktur lässt sich somit als „leeres Clathrat“ beschreiben. Nach dem Auspumpen der Gasmoleküle dehnt sich das Kristallgitter aus, da die anziehenden Wechselwirkungen von Gas und Wasser wegfallen. „Diese Expansion ist größer als erwartet“, erklärt Prof. Dr. Werner Kuhs, Leiter der Abteilung Kristallographie der Universität Göttingen. „Bisherige vereinfachte Annahmen beim Berechnen der physiko-chemischen Eigenschaften von Clathraten müssen deshalb nun revidiert werden.“

Clathrate, auch Gashydrate genannt, spielen eine bedeutende Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde. Methan-Clathrat ist in Permafrost- und Meeresböden in riesigen Mengen vorhanden, die die bekannten Vorräte an Erdgas und Erdöl bei weitem übertreffen. Clathrate spielen auch eine große Rolle beim Transport von Gas und Öl in Pipelines: Als feste Produkte können sie unter den dort herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen Pfropfen bilden, deren Verhinderung die Industrie jedes Jahr mehrere hundert Millionen Euro kostet. Eine genaue Vorhersage solcher Blockaden ist für den Betrieb einer Pipeline unerlässlich.

„Die Quantifizierung der Gas-Wasser-Wechselwirkung über das Eis XVI erlaubt in Zukunft verbesserte Vorhersagen über die Stabilität und Zusammensetzung von Clathraten“, so Prof. Kuhs. „Das ist von großer Bedeutung sowohl für Geowissenschaftler als auch für Chemie-Ingenieure.“ Darüber hinaus spielt die Quantifizierung der Wechselwirkungen von hydrophoben Molekülen wie Methan mit Wasser eine große Rolle in biochemischen Prozessen. (p)

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