D. Lenz
Forscher haben eine neue Konfiguration von gefrorenem Wasser entdeckt. In dieser bilden die Moleküle im Eis einen Käfig, in der andere Moleküle eingeschlossen werden können. Diese Entdeckung hilft den Forschern mehr über die Instabilität von Methanhydrat zu verstehen, von dem mehrere Millionen Tonnen unter der Meeresoberfläche liegen.
Göttingen (Deutschland). Methanhydrat entsteht unter hohem Druck und bei niedrigen Temperaturen. Es kommt hauptsächlich am Meeresgrund der Kontinentalhänge vor und ist äußerst instabil. Bereits kleinste Veränderungen von Druck oder Temperatur sorgen dafür, dass das Methanhydrat zerfällt und Methangas an die Meeresoberfläche und anschließend in die Atmosphäre gelangt
Der molekulare Käfig, der das Methan einschließt, ist in seiner Struktur bisher nur theoretisch bekannt gewesen. Es galt bisher als unmöglich den Eiskäfig ohne Inhalt zu erzeugen und diesen genauer zu untersuchen. Aus diesem Grund konnten bisher auch nicht die besonderen Eigenschaften dieser speziellen Eisform untersucht werden.
Andrzej Falenty und seine Kollegen von der Universität Göttingen ist es nun erstmals gelungen, solche Eiskäfige zu erzeugen. Dabei stellte sich heraus, dass es sich um eine völlig neue und bisher unbekannte Eisform handelt. Damit ist das von den Forschern entdeckte Eis XVI die 17. Bekannte Struktur des Wassereises. Zudem ist es mit einer Dichte von nur 0,81 Gramm pro Kubikzentimeter die Eisform mit der geringsten Dichte. Die Wassermoleküle bilden in dieser besonderen Eisform eine sehr symmetrische Struktur aus Käfigen, die andere Moleküle und Atome einschließen können, um Gashydrate oder ähnliche Verbindungen zu bilden.
Um das Eis XVI künstlich im Labor zu bauen, synthetisierten die Forscher zunächst bei Temperaturen um rund 140 Kelvin ein mit Neongas-Atomen gefülltes Gashydrat. Anschließend pumpten sie die Umgebungsluft ab und erzeugten dadurch ein Vakuum, das allmählich die Neonatome aus den Eiskäfigen absaugte.
Die vorliegende Struktur der leeren Eiskäfige ermittelten Falenty und seine Kollegen mit Hilfe von Neutronenbeugung. Sie beschossen die Moleküle mit Neutronenstrahlen, die am Molekül auf charakteristische Art und Weise gebeugt wurden. Anhand des Beugungsbilder konnten die Forscher die exakte Struktur der Eiskäfige nachvollziehen.
In ersten Experimenten mit Eis XVI zeigte sich, dass die leeren Eiskäfige stabiler sind als die gefüllten Gegenstücke. Die leeren Eiskäfige zerfallen erst bei Temperaturen, die rund 20 Grad Celsius höher sind. "Das leere Eis XVI ist mechanisch stabiler und hat bei niedrigen Temperaturen größere Gitterkonstanten als das gefüllte Hydrat", erläutert Falenty.
