Hochdruckforschung: Hexagonales superionisches Wassereis nachgewiesen

Wenn es um Wassereis geht, denken die meisten an Eiswürfel. Tatsächlich ist H₂O eine der vielgestaltigsten Substanzen überhaupt. Es gibt über 20 Kristallformen, die meisten davon nur aus dem Labor. Nun kommt eine weitere hinzu. Einem internationalen Forscherteam ist erstmals der Nachweis einer hexagonal dichtest gepackten Phase (hexagonal close-packed, hcp) von „superionischem Wassereis“ gelungen. Und zwar unter Bedingungen, wie sie tief im Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun herrschen.

Zwei Millionen Atmosphären Druck, 2600 Kelvin Temperatur – und das Wasser schmilzt trotzdem nicht. Was nach einem Widerspruch klingt, ist seit Jahren einer der spannendsten Forschungsbereiche der Hochdruckphysik. Das Team um Alexis Forestier hat nach eigenen Angaben nun eine lange vorhergesagte Struktur experimentell nachweisen können. Die Ergebnisse erschienen in dem Artikel „Observation of Hexagonal Close-Packed Water Ice at Conditions in Ice Giant Planetary Interiors“ bei Physical Review Letters; ein Preprint liegt bereits seit Ende Oktober 2025 frei zugänglich auf arXiv vor.

Halb fest, halb flüssig

Um zu verstehen, worum es geht, muss man sich vom Alltagseis verabschieden. Unter dem enormen Druck in den Tiefen von Eisriesen nimmt Wasser Zustände an, für die es auf der Erdoberfläche keine Entsprechung gibt, allen voran den superionischen.

Dabei passiert etwas Kurioses: Die schweren Sauerstoffatome bleiben in einem starren Kristallgitter sitzen, die leichten Wasserstoffkerne lösen sich dagegen aus ihren Bindungen und wandern frei durch dieses Gitter hindurch. Das Material ist damit gleichzeitig kristalliner Festkörper und – bezogen auf den Wasserstoff – Flüssigkeit. Weil die wandernden Protonen elektrische Ladung tragen, leitet superionisches Eis obendrein Strom.

Das Eis schmilzt in diesem Zustand nicht, weil der Druck die Sauerstoffatome so dicht zusammenpresst, dass die Bindungskräfte im Gitter die thermische Bewegungsenergie schlicht überwiegen. Die Hitze reicht dann nur noch, um die leichten Protonen in Bewegung zu versetzen – das Sauerstoffgerüst bleibt stehen. Vorhergesagt wurde dieser Zustand vor über 30 Jahren, der erste belastbare Laborbeweis gelang jedoch erst 2018.

Vom Würfel zum Sechseck

Im superionischen Regime ordnet sich der Sauerstoff üblicherweise kubisch-flächenzentriert an (face-centered cubic, fcc). Die Atome sitzen dabei an den Ecken und in den Flächenmitten eines gedachten Würfels, die Atomlagen stapeln sich in der Folge ABCABC. Diese Variante trägt die Bezeichnung Eis XVIII, schlicht die achtzehnte bekannte Kristallform von Wassereis.

Die Theorie sagte allerdings seit Jahren voraus, dass bei noch höherem Druck eine Konkurrenzstruktur die Oberhand gewinnen sollte: eben hcp. Hier folgen die Schichten dem Muster ABAB. Man kann sich beides als Stapel identischer Kugeln vorstellen – es gibt einfach mehrere Möglichkeiten, Lagen so aufeinanderzusetzen, dass die Packung maximal dicht bleibt. Genau diese vorhergesagte hcp-Variante hatte bisher niemand zweifelsfrei beobachtet.

Die Forscher setzten für ihr Experiment Diamantstempelzellen ein, bei denen eine winzige Probe zwischen zwei Diamantspitzen gequetscht wird. Das Wasser umgaben sie mit Bor-dotiertem, also laserabsorbierendem Diamant, um es gleichmäßig aufheizen zu können. Ausgelesen wurde die Struktur per Röntgenbeugung an der European Synchrotron Radiation Facility – mit einem Strahl von unter einem Mikrometer Breite.

Das Experiment zeigte, dass oberhalb von 1800 Kelvin und 200 Gigapascal fcc-superionisches Eis in die hcp-Form übergeht. Bei den Endbedingungen von 219 Gigapascal und 2630 Kelvin war die fcc-Signatur praktisch verschwunden, hcp dominierte laut den Wissenschaftlern klar.

Kurioser Nebenbefund: Vermutlich hatte die Gruppe hcp-Eis schon früher erzeugt, ohne es zu merken. Bei der Durchsicht älterer Messdaten fiel dem Team ein bis dahin nicht zugeordneter Beugungspeak oberhalb von 130 Gigapascal auf – aller Wahrscheinlichkeit nach die Signatur der hcp-Phase.

Gitter im Gleichschritt

Der Übergang läuft über eine martensitische Umwandlung ab. Das bedeutet: Er ist diffusionslos, es wandern also keine einzelnen Atome durch das Material. Stattdessen verschiebt sich das gesamte Kristallgitter in einer koordinierten, scherartigen Bewegung. Metallurgen kennen das Prinzip vom Härten von Stahl.

Bei Eis funktioniert das deshalb so gut, weil sich fcc und hcp nur in der Stapelfolge unterscheiden. Ein mechanisches Abgleiten der Ebenen genügt, mehr braucht es nicht. Ähnliche Stapelfehler treten auch in komprimierten Edelgasen auf – beim Eis zeigen sie sich allerdings mitten im superionischen Regime oberhalb von etwa 1700 Kelvin, erkennbar an einer anomalen thermischen Ausdehnung, die den Beginn der Protonenbeweglichkeit markiert. Bemerkenswert: Ein Großteil dieser Ausdehnung erfolgte in nur einer Raumrichtung. Das deutet darauf hin, dass sich der Wasserstoff entlang bevorzugter Pfade bewegt.

Ein umkämpftes Feld

Das Forschungsfeld ist seit Jahren sehr aktiv, und die Ergebnisse der verschiedenen Gruppen widersprechen sich teils erheblich. In einer Studie in Nature Communications wurde Wasser mittels mehrfacher Schockwellen komprimiert. Oberhalb von 150 Gigapascal und bei rund 2500 Kelvin stellten die Beugungsmuster das reine fcc-Modell infrage und lieferten Belege für eine gemischte dicht gepackte superionische Phase. Vereinbar waren die Daten mit verwachsenen fcc- und hcp-Schichten. Ob es sich dabei um eine intrinsische Gleichgewichtsstruktur handelt, blieb allerdings offen.

Auch bei niedrigeren Drücken ist die Datenlage alles andere als einheitlich. Eine Gruppe um Prakapenka beobachtete die superionische fcc-Phase bereits bei 30 Gigapascal, während Weck und Kollegen unterhalb von 50 Gigapascal keinerlei Hinweise darauf fanden. Bei 60 Gigapascal klaffen die berichteten Übergangstemperaturen um bis zu 600 Kelvin auseinander – für ein Phasendiagramm ein stattlicher Wert.

Eine methodische Einschränkung liegt im Verfahren selbst, wie ScienceBlog anmerkt: Röntgenbeugung ist weit empfindlicher für Sauerstoff als für Wasserstoff. Direkt beobachtet haben die Forschenden daher das hcp-Sauerstoffgitter. Dass die Phase superionisch ist, schließen sie indirekt aus der anomalen thermischen Ausdehnung – ein starkes Indiz, aber kein Direktnachweis der Wasserstoffbeweglichkeit.

Offen bleibt entsprechend, wie leitfähig die Struktur tatsächlich ist, ob die Leitfähigkeit von der Richtung abhängt und wie schnell sich der Wasserstoff bewegt. Dafür bräuchte es Experimente, die Strukturmessung mit elektrischen oder Diffusionssonden kombinieren.

Bedeutung für die Eisriesen Uranus und Neptun

Uranus und Neptun besitzen keine sauberen Dipolfelder wie die Erde, sondern chaotische, nicht achsensymmetrische Magnetfelder mit mehreren Polen. Erzeugt werden sie vermutlich in den superionischen Eisschichten tief im Planeteninneren – und genau dort setzen die bisherigen Modelle meist eine einzige Schicht mit fcc-Sauerstoffgitter an.

Ein fcc-hcp-Übergang würde dieses Bild verschieben: Dichte, Viskosität und elektrische Leitfähigkeit hätten dann andere Tiefenprofile, und die Magnetfeldsimulationen müssten womöglich nachgebessert werden. Bis dahin ist allerdings noch einiges zu tun. Wo genau hcp gegenüber fcc die Nase vorn hat, lässt sich mit den vorliegenden Daten nur grob eingrenzen – dafür braucht es weitere Experimente. Und die dauern, wenn die Probe gerade mal so groß ist wie ein Staubkorn. Oberhalb von 200 Gigapascal maß das Wasser nur noch etwa 12 Mikrometer.