Wärmeleitfähigkeit, Schermodul und transversale Schallgeschwindigkeit von Eis nehmen mit Druck ab

Wissenschaftliche Erklärung

Bei den meisten kristallinen Festkörpern führt eine Druckerhöhung dazu, dass die Atome enger zusammenrücken, das Kristallgitter steifer wird und Wärme sowie Schallwellen sich schneller ausbreiten. Eis Ih verhält sich genau umgekehrt: Sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch der Schermodul und die transversale Schallgeschwindigkeit nehmen mit steigendem Druck ab. Dieses Verhalten ist unter kristallinen Materialien äusserst selten.

Der Grund liegt in der offenen, teträdrischen Struktur von Eis Ih. Jedes Sauerstoffatom ist über Wasserstoffbrücken mit genau vier Nachbarn verbunden, wobei das Gitter grosse Hohlräume enthält. Unter Druck werden diese Hohlräume nicht einfach gleichmässig komprimiert — stattdessen kommt es zu lokalen Verzerrungen der Wasserstoffbrückenwinkel. Diese Winkelverzerrungen schwähen die zwischenmolekularen Kopplungen, über die Wärme transportiert und mechanische Kräfte übertragen werden.

Hinzu kommt, dass die Phononen — die Schwingungsmoden, die Wärme im Kristall transportieren — durch die zunehmende Unordnung im Gitter stärker gestreut werden. Die freie Wegläenge der Phononen verkürzt sich, und damit sinkt die Wärmeleitfähigkeit. Gleichzeitig wird das Material unter Druck weniger steif, weil die verzerrten Wasserstoffbrücken weniger Widerstand gegen Scherung bieten. Diese Anomalie ist ein weiterer Ausdruck der einzigartigen, durch Wasserstoffbrücken dominierten Architektur von Eis.

Es sei angemerkt, dass dieses Verhalten bisher hauptsächlich an Eis Ih untersucht wurde. Hochdruck-Eisphasen (Eis II, III und andere) zeigen zum Teil andere Tendenzen, da sich ihre Kristallstrukturen grundlegend von der offenen Eis-Ih-Struktur unterscheiden. Die genauen Mechanismen auf atomarer Ebene sind Gegenstand aktiver Forschung, insbesondere mithilfe von Molekulardynamik-Simulationen.

Alltagsrelevanz

Obwohl dieser Effekt bei extremen Drücken auftritt und im Alltag kaum direkt spürbar ist, hat er Bedeutung für das Verständnis von Eisschilden und Gletschern. In tiefen Schichten von Eiskappen — etwa in der Antarktis oder auf Grönland — herrschen erhebliche Drücke. Die verminderte Wärmeleitfähigkeit beeinflusst, wie schnell geothermische Wärme durch das Eis nach oben transportiert wird, und damit auch die Schmelzraten an der Basis von Gletschern. Für Klimamodelle, die das Verhalten grosser Eisschilde vorhersagen, sind diese Materialeigenschaften daher relevant.