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Der Orientierung von Wassermolekülen
auf der Spur
Wasser und Eis sind allgegenwärtige Erscheinungen.
Es muss daher erstaunlich erscheinen, dass es sich
bei Wasser und Eis um wissenschaftlich noch relativ
unverstandene Systeme handelt. Die Orientierung der
Wassermoleküle zueinander ist auf Grund der Wasserstoffbrückenbindungen
stark korreliert. Diese komplexe
Korrelation führt zu großer struktureller Vielfalt
Das Phasendiagramm von Eis ist mit einer Vielzahl
von kristallinen Phasen übersät. Der letzte Eintrag ins
Stammbuch lautet Eis XII (Abb. 2.31). Eis XII tritt
gleich an zwei nicht überlappenden Stellen im Phasendiagramm
auf. Die Entdeckung von Eis XII ist in
beiden Fällen eine Leistung der elastischen Neutronenstreuung.
In der Natur tritt Eis oft auch in nicht geordneter Form
auf. Dies gilt insbesondere für Eis an Oberfl ächen oder
in Poren. Ungeordnetes Eis kann aber auch im Volumen
erzeugt werden. Zwei prominente Beispiele dafür sind
das durch Aufdampfen von Wasserdampf produzierte
niedrigdichte sowie das durch Kompression von normalem
Eis erzeugte hochdichte amorphe Eis (Abb. 2.32).
Eis im Weltraum liegt zu einem wesentlichen Teil in
amorpher Form vor. Der Neutronenstreuung kommt bei
der Bestimmung der Anordnung sowie Dynamik der
Moleküle in amorphen Eisformen eine exklusive Rolle
zu (Abb. 2.33). In jüngster Zeit konnten dabei insbesondere
Umwandlungen von amorphen Zuständen detailliert
charakterisiert werden. Eine Reihe theoretischer
Abb 2.31. Das Wasserstoffbrückennetzwerk von Eis XII
entlang der c-Achse. Die Entdeckung von Eis XII gelang
mit Hilfe der Neutronendiffraktion.
Ansätze sowie experimenteller Schlussfolgerungen
wurde dabei als unzureichend identifi ziert. Neben ihrer
Bedeutung für das grundlegende Verständnis ungeordneter
Festkörper spielen diese Erkenntnisse beim
Studium von Wasser in der Biologie und in den Geowissenschaften
eine wichtige Rolle.
Abb 2.32. Hochdichtes amorphes Eis HDA bei der Umwandlung
in die niederdichte Modifikation LDA. Die starke
Volumenausdehnung (ca. 15 %) führt zum Aufflocken.
I(Q) [norm.]
3
2
1
0
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,3 0,4 0,5 0,6 -0,1
vHDA
HDA'
LDA'
HDA
G() [willk. Einheiten]
0 1 2 0 5
10 15 20
Q [Å -1 ]
h [meV]
Abb 2.33. Elastische (links) und inelastische (rechts) Streuintensität von verschiedenen amorphen Eismodifikationen. Die
Gesamtheit der Neutronendaten lässt eine nahezu vollständige und einzigartige Charakterisierung auf atomarer Ebene zu.
38 Korrelationen: Wassermoleküle 39