Ordnung und Unordnung in kristallinem Eis: Grundlegende Eigenschaft von Eis bei sehr niedrigen Temperaturen erklärt

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Ein neues theoretisches Modell erhellt die Struktur und die elektrischen Eigenschaften von reinem und dotiertem Eis.
Eis ist eine faszinierende Substanz mit einzigartigen Eigenschaften, die die Menschen seit jeher fasziniert. Im Gegensatz zu den meisten anderen Materialien ist Eis bei sehr niedrigen Temperaturen nicht so geordnet, wie es sein könnte.

Eine Zusammenarbeit zwischen der Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), dem Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP), dem Institut für Physik Rosario (IFIR-UNR), mit der Unterstützung des Istituto Officina dei Materiali des Italienischen Nationalen Forschungsrates (CNR-IOM), machte neue theoretische Fortschritte über die Gründe, warum dies geschieht und über die Art und Weise, in der ein Teil der fehlenden Ordnung wiederhergestellt werden kann.

In diesem geordneten Zustand hat das Team von Wissenschaftlern eine relativ obskure und doch fundamentale Eigenschaft von Eis bei sehr niedrigen Temperaturen beschrieben, die Ferroelektrizität.

Die Ergebnisse, die in PNAS veröffentlicht wurden, lassen sich wahrscheinlich auch auf Eisoberflächen anwenden, was für die Agglomeration von Eispartikeln im interstellaren Raum relevant sein könnte.
“In einem ideal geordneten Stück Eis sollten die Wasserstoffatome jedes Wassermoleküls in die gleiche Richtung zeigen, wie Soldaten in einem Zug, die nach vorne schauen”, erklärt Alessandro Laio, Physiker von SISSA und ICTP. “Wenn das der Fall wäre, würde Eis eine makroskopische elektrische Polarisation aufweisen – es wäre ferroelektrisch.

Stattdessen verhalten sich die Wassermoleküle im Eis, selbst bei sehr niedrigen Temperaturen, wie widerspenstige Soldaten und schauen alle in verschiedene Richtungen.”
Dieses anomale Verhalten, das in den 1930er Jahren experimentell entdeckt wurde, wurde sofort und berühmt von Linus Pauling erklärt: Der Mangel an Disziplin ist ein Effekt der “Eisregel”-Zwangsbedingung – jedes Sauerstoffatom sollte zu jedem Zeitpunkt zwei und nur zwei Protonen besitzen, damit es H2O wird.

Die schwierige Kinetik, die durch diese Einschränkung entsteht, führt dazu, dass der Ordnungsprozess unendlich langsam wird, wie in einem Zug, in dem jeder Soldat vier Nachbarn hat und zwei Hände auf den Schultern von zwei von ihnen halten muss.
“Wären da nicht Verunreinigungen oder Defekte, die sich als aufschlussreich herausstellten, wüsste man heute immer noch nicht, ob die Protonenordnung und Ferroelektrizität von kristallinem Bulk-Eis eine reale Möglichkeit oder ein Hirngespinst ist, da weder Experimente noch Simulationen die durch die Eisregel erzeugte kinetische Verlangsamung überwinden konnten”, betont Erio Tosatti, Physiker von SISSA, ICTP und CNR-IOM Democritos.
Verunreinigungen, wie z.B. ein KOH anstelle von H2O, sind in der Tat dafür bekannt, dass der Ordnungsprozess nukleiert und Eis bei sehr niedrigen Temperaturen geordnet und ferroelektrisch wird, wenn auch nur teilweise und träge. Wieder einmal wurde die “Eisregel” hinter der Trägheit dieses Prozesses vermutet, aber wie genau das funktioniert, war nicht wirklich bekannt.
Zusammen mit Jorge Lasave und Sergio Koval vom IFIR-UNR in Argentinien, beides assoziierte Mitglieder des ICTP, entwarfen Alessandro Laio und Erio Tosatti ein theoretisches Modell und eine Strategie, um das Verhalten von reinem und dotiertem Eis zu erklären.
“Nach diesem Modell”, so erklären die Wissenschaftler, “wirkt eine Verunreinigung, sobald sie in einen anfänglichen ungeordneten Zustand im Nicht-Gleichgewicht bei niedriger Temperatur eingeführt wird, als Keim für die geordnete Phase, aber auf eine besondere Art und Weise: nicht alle ‘Soldaten’ um die Verunreinigung herum beginnen in die richtige Richtung zu schauen, sondern nur die vor oder hinter der Verunreinigung.

So wird am Ende des Prozesses nur eine Reihe von Soldaten innerhalb des Zuges geordnet.” Dieser höchst untypische Prozess hat viele der Eigenschaften, die das langsame und unvollständige Einsetzen der ferroelektrischen Ordnung in echtem, dotiertem Eis erklären können.
“Obwohl die Studie vorerst auf Bulk-Eis beschränkt ist”, schlussfolgern Tosatti und Laio, “dürfte sich der aufgezeigte Mechanismus auch auf Eisoberflächen ausdehnen, wo sich bei niedrigen Temperaturen Stränge geordneter Protonen bilden könnten, was eine seit langem bekannte kleine Menge lokaler ferroelektrischer Polarisation erklären würde, ein Phänomen, das auch als möglicherweise relevant für die Agglomeration von Eispartikeln im interstellaren Raum erwähnt wird.”
Referenz: “Proton strings and rings in atypical nucleation of ferroelectricity in ice” von J. Lasave, S. Koval, A. Laio und E.

Tosatti, 13. November 2020, Proceedings of the National Academy of Sciences.DOI: 10.1073/pnas.2018837118

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