Technologie

Neue Kristallstruktur für Eis gefunden

Ulmer Wissenschaftler haben Wasser zwischen zwei Graphenschichten gefangen und dabei eine neue Kristallstruktur von Eis gefunden.
Die Nachricht an sich wäre keine große Meldung wert, denn es sind schon 17 verschiedene Kristallstrukturen von Eis bekannt. Doch die neu gefundene Kristallstruktur ist in vielerlei Hinsichten ungewöhnlich.

Um das zu verstehen sollte ich euch kurz vor Augen führen was es mit Eis und seiner Kristallstruktur auf sich hat. Dass Eis der feste Aggregatzustand von H2O ist, dürfte nichts neues sein. Doch was ist eigentlich mit fest gemeint? Um das zu verstehen gehen wir auf der Größenskala vom Eiswürfel herunter auf die molekulare Ebene. Schauen wir uns Wasser an so weisen die Moleküle eine Nahordnung auf. Damit ist gemeint, dass ein Molekül seinen unmittelbaren Nachbarn “sieht” bzw. “weiß” wo er sich befindet. Es “weiß” aber nicht um die Position jedes weiteren Wassermoleküls in der Flüssigkeit.
Ändert sich nun der Aggregatzustand von flüssig zu fest, entstehen im Fall von H2O Eiskristalle. Kristalle besitzen eine Fernordnung. Innerhalb eines Kristalls ist die genau Position von jedem Molekül bekannt und stationär. Um wissenschaftlich korrekt zu bleiben: Diese Definition gilt streng genommen nur für monokristalline Kristalle. Sollte in diesem Fall aber erstmal reichen.
Kristalle können verschiedenste Strukturen aufweisen. Es gibt aber insgesamt nur sieben so genannte Kristallsysteme: triklin, monoklin, orthorhombisch, tetragonal, trigonal, hexagonal und kubisch.
Diese sieben Systeme können dann ihrerseits noch weiter unterteilt werden.

Das in der Natur vorkommende Eis kristallisiert primär im hexagonalen Kristallsystem und wird deshalb auch als Ih bezeichnet.

Ein hexagonales Gitter. ("Hexagonal lattice" by Original PNGs by Daniel Mayer, traced in Inkscape by User:Stannered - Crystal stucture. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hexagonal_lattice.svg#/media/File:Hexagonal_lattice.svg)

Ein hexagonales Gitter. (c) Daniel Mayer auf Wikimedia CC BY-SA 3.0

Unter anderen Bedingungen können sich aber durchaus sehr verschiedene Kristallstrukturen und auch amorphe (ungeordnete) Strukturen ausbilden (hier).

Bevor wir nun zu dem Nature Paper kommen, solltet ihr euch noch kurz die Struktur des Wassermoleküls in Erinnerung rufen. Es besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom und ist gewinkelt aufgebaut. Der Winkel beträgt 104,5 Grad und entsteht nach der VSEPR Theorie durch die beiden freien Elektronenpaare am Sauerstoffatom.

Die Ulmer Wissenschaftler haben nun Wasser zwischen zwei Graphenschichte gebracht. Dadurch befinden sich die Moleküle in einer sehr hydrophoben (wasserabstoßenden) Umgebung und haben zudem nur sehr wenig Platz zur Verfügung. Ihre Probe haben die Wissenschaftler dann mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht und herausgefunden, dass ein quadratische Gitter vorliegt. Der Versuch wurde bei Raumtemperatur durchgeführt, aber schon der Druck der Graphenschichten führte dazu, dass das Wasser eine Kristallstruktur eingenommen hat. Bei ihren Experimenten konnten sie zudem einzelnen Atomlagen Eis sowie mehrere gestapelte Atomlagen von Eis beobachten und so die dreidimensionale Struktur näher untersuchen.
Entgegen der Intuition waren die gestapelten Schichten nicht gegeneinander verschoben, sondern Deckungsgleich. Das ist insofern erstaunlich, dass so Sauerstoffatome direkt übereinander liegen. Die Sauerstoffatome tragen im Wassermolekül aber eine negative Teilladung und sollten sich deshalb abstoßen.

Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature doi:10.1038/nature14295, copyright 2015

TEM Aufnahme einer Lage 2D Wasser zwischen Graphenschichten. Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature doi:10.1038/nature14295, copyright 2015

Und noch etwas überraschendes konnte in dieser Eisphase entdeckt werden. Wie ich oben geschrieben habe liegt das Wassermolekül normalerweise in einer tetraedischen Struktur mit einem Winkel von 104,5 Grad vor. In der neu entdeckten Phase beträgt dieser Winkel jedoch nur 90 Grad. Erst hierdurch wird eine quadratische Anordnung überhaupt ermöglicht. Es ist somit auch nicht erstaunlich, dass diese Eisphase deutlich dichter als normales Eis ist.

Literatur:
Algara-Siller, G., Lehtinen, O., Wang, F., Nair, R., Kaiser, U., Wu, H., Geim, A., & Grigorieva, I. (2015). Square ice in graphene nanocapillaries Nature, 519 (7544), 443-445 doi: 10.1038/nature14295.

„scinexx | Wassereis mit quadratischem Gitter entdeckt: Forscher entdecken unbekannte Eisform beim Experimentieren mit Graphen – Eis, Wassereis, Kristallstruktur – Eis, Wassereis, Kristallstruktur, Gitterstruktur, Graphen, Kapillare, Chemie“. Zugegriffen 27. März 2015. http://www.scinexx.de/wissen-aktuell–18706–2015–03–27.html.

„Graphene sandwich turns water square | Chemistry World“. Zugegriffen 27. März 2015. http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/03/graphene-sandwich-turns-water-square-crystals.

About the author

Ole

1 Kommentar

Leave a Comment