12/06/2013 - Neue Theorie über das Eis unter Druck

Menéame

Mit neuen revolutionären Techniken, einem Team unter der Leitung von Malcolm Guthrie, Carnegie-Institut (USA) hat eine erstaunliche Entdeckung gemacht, wie sich Eis unter Druck verhält, indem er Ideen aus den letzten 50 Jahren änderte.

Seine Halluzinationen könnten unser Verständnis dafür verändern, wie die Wassermoleküle auf die Bedingungen reagieren, die sich tief in den Planeten befinden und Auswirkungen auf die Energiewissenschaft haben könnten. Das Ergebnis seiner Arbeiten wird im "Proceedings of the National Academy of Sciences" veröffentlicht.

Wenn das Wasser in Eis erfrieren wird, sind seine Moleküle in einem Kristallnetz miteinander verbunden und werden durch Wasserstoffverbindungen zusammengehalten, die sehr vielseitig sind und daher das kristalline Eis eine überraschende Vielfalt von mindestens 16 verschiedene Strukturen.

In all diesen Formen des Eises ist das einfache H2O-Molekül die universelle Grundkomponente. Im Jahre 1964 wurde jedoch vorausgesagt, daß Wasserstoffverbindungen unter ausreichendem Druck so stark verstärkt werden könnten, daß sie tatsächlich die Wassermoleküle brechen könnten. Die Möglichkeit der direkten Beobachtung eines entkoppelten Wassermoleküls im Eis hat sich als eine faszinierende Anziehungskraft für Wissenschaftler erwiesen und hat in den letzten 50 Jahren umfangreiche Forschungen in Gang gesetzt. Mitte der 1990er Jahre haben mehrere Teams, darunter eine Gruppe von Carnegie, den Übergang durch Spektroskope beobachtet, aber da es sich um indirekte Werkzeuge handelt, konnten sie nur einen Teil des Bildes enthüllen.

Die ideale Methode ist die Methode, die es ermöglicht, Wasserstoffatome oder Protonen direkt zu "sehen," was durch den Abprallen von Neutronen außerhalb des Eises getan werden kann, und dann sorgfältig zu messen, wie sie sich verstreut haben. Die Anwendung dieser Technik auf Druck, der hoch genug ist, um zu sehen, wie die Wassermoleküle sich trennen, war in der Vergangenheit einfach nicht möglich gewesen. Guthrie erklärte: "Man kann diese extremen Belastungen nur erreichen, wenn die Eisproben sehr klein sind, aber leider macht dies die Wasserstoffatome sehr schwer zu sehen."

Die Welling Neutronen-Quelle (Spallation Neutron Source) wurde 2006 im Oak Ridge National Laboratory in Tennessee eröffnet und bietet eine neue und brillante Quelle von Neutronen. Mit dem Entwurf einer neuen Klasse von Werkzeugen, die optimiert wurden, um diesen unvergleichlichen Fluss von Neutronen zu nutzen, gelang Guthrie und ihre Teamkollegen von Carnegie Russell Hemley, Reinhard Boehler und Kuo Li sowie Chris Tulk, Jamie Molaison und António dos Santos vom Oak Ridge National Laboratory, den ersten Blick auf die Wasserstoffatome im Eis selbst bei beispiellosem Druck von mehr als 500.000 mal Luftdruck zu erhalten.

"Die Neutronen erzählen uns eine Geschichte, die die anderen Techniken nicht erzählen konnten," sagte Hemley, Leiter des Geophysik-Labors von Carnegie. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Entkoppelung von Wassermolekülen zwei verschiedenen Mechanismen folgt. Einige der Moleküle beginnen, sich durch einen anderen Weg als in der klassischen Rolle von 1964 zu distanzieren."

"Unsere Daten malen ein völlig neues Eis," sagte Guthrie. "Nicht nur die Ergebnisse haben weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis der Verbindung in H2O, Beobachtungen können auch einen früheren Vorschlag über eine Theorie unterstützen, dass Protonen im Eis innerhalb der Planeten können mobil sein, auch während das Eis fest bleibt."

Tulk schloss: "Das ist ein großer technischer Fortschritt, der das Spiel verändert. Die Anwendungen könnten auf Systeme ausgedehnt werden, die für soziale Herausforderungen wie Energie von entscheidender Bedeutung sind. So kann die Technik beispielsweise ein besseres Verständnis von Methan mit Kohlenhydraten und sogar Wasserstoffspeichermaterialien liefern, die eines Tages Autos bedienen können."

Und diese erstaunliche Entdeckung kann nur der Anfang der wissenschaftlichen Entdeckungen werden.

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Diese Arbeit wurde von EFree, einem Forschungszentrum des Energy Frontier Research Center, unterstützt, das vom US-Energieministerium (DOE), dem Büro für Wissenschaft, dem Büro für Energiewissenschaften (BES) finanziert wird. Die Forschung an der Quelle von Neutronen durch Spalation, das Oak Ridge National Laboratory mit Unterstützung der Abteilung für User Services Wissenschaft, Basic Energy Sciences, DOE.

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