Festes Wasser existiert in einer grossen Vielfalt an kristallinen und amorphen Strukturen
Eis bildet mehr stabile und metastabile Kristallstrukturen als jedes andere bekannte Material.
Wissenschaftliche Erklärung
Die meisten Substanzen bilden beim Gefrieren eine oder höchstens wenige Kristallformen. Wasser ist radikal anders: Bis heute sind mindestens 20 verschiedene kristalline Eisformen (Eis I bis Eis XX und weitere) sowie mehrere amorphe Varianten bekannt — mehr als bei jedem anderen bekannten Material. Diese Vielfalt ist eine direkte Folge der einzigartigen Geometrie des Wassermoleküls und seiner Fähigkeit, Wasserstoffbrückenbindungen in verschiedenen Anordnungen auszubilden.
Das alltägliche Eis (Eis Ih, hexagonal) bildet sich bei Normaldruck und Temperaturen um 0 Grad Celsius. Erhöt man den Druck, ordnen sich die Moleküle in kompakteren Strukturen an: Eis II, III, V, VI und VII entstehen bei immer höherem Druck. Einige dieser Hochdruckphasen sind so dicht gepackt, dass sie schwerer als flüssiges Wasser sind — das genaue Gegenteil von normalem Eis.
Daneben gibt es amorphe Formen von Eis (LDA, HDA, VHDA), die keine Kristallordnung besitzen. Diese entstehen durch extreme Abkühlung oder Kompression und verhalten sich eher wie ein eingefrorenes Glas. Die Umwandlungen zwischen diesen amorphen Formen liefern wichtige Hinweise auf den hypothetischen zweiten kritischen Punkt von Wasser.
Schritt für Schritt
Normales Eis (Ih)
Bei Normaldruck bildet Wasser hexagonales Eis -- die vertraute Form aus dem Gefrierfach. Sechs Sauerstoffatome ordnen sich in einem Sechsring an, verbunden durch Wasserstoffbrückenbindungen.
Druck erhöhen
Was geschieht, wenn man extremen Druck auf die Kristallstruktur ausuübt? Die offene hexagonale Anordnung beginnt sich zusammenzudrücken.
Eis II und Eis III
Unter Druck ordnen sich die Moleküle in kompakteren Strukturen an. Eis II und Eis III entstehen -- dichter gepackt als normales Eis. Einige Hochdruckphasen sind sogar schwerer als flüssiges Wasser.
Das Phasendiagramm
Das Temperatur-Druck-Phasendiagramm zeigt verschiedene Stabilitätsbereiche: Eis Ih, II, III, V, VI und VII existieren jeweils in bestimmten Druck- und Temperaturbereichen.
19 bekannte Formen
Wasser bildet mindestens 19 verschiedene kristalline Eisformen -- mehr als jede andere bekannte Substanz. Dazu kommen amorphe Formen wie LDA, HDA und VHDA. Diese Vielfalt ist einzigartig in der Natur.
Alltagsrelevanz
Im Alltag begegnen wir nur Eis Ih — dem normalen Eis in Getränken, Gletschern und Eislaufbahnen. Doch die Vielfalt der Eisphasen hat Bedeutung für die Planetenforschung: Auf den Eismonden des Jupiters und Saturns (Europa, Enceladus) existieren wahrscheinlich Hochdruck-Eisformen in der Tiefe, die das Verhalten dieser Himmelkörper massgeblich beeinflussen. Auch in der Materialwissenschaft dient die Polymorphie des Eises als Modellsystem für das Verständnis von Phasenübergängen in anderen Materialien.