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2023-12-12T05:03:40Z

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'''Amorphes Eis''' ist eine Form von festem [[Wasser]], welche dadurch ausgezeichnet ist, dass die Wassermoleküle in diesem [[Eis]] wie in einem [[Glas]] unregelmäßig angeordnet sind, also keine [[Fernordnung]] besteht. Hierdurch unterscheidet sich amorphes Eis von den rund zwanzig bekannten kristallinen Eisformen.

Die auf der Erde vorherrschende feste Form von Wasser ist [[Eis]] Ih, das eine regelmäßige [[Hexagonales Kristallsystem|hexagonale Kristallstruktur]] besitzt. Im [[Interstellarer Raum|interstellaren Raum]] hingegen gelten die [[Amorphes Material|amorphen Formen]] als dominant.<ref>{{Kapitälchen|Jenniskens}}, Peter; {{Kapitälchen|Blake}}, David F.: Structural Transitions in Amorphous Water Ice and Astrophysical Implications'. In: ''Science'' 65 (1994), S. 753–755</ref>

Wie auch bei [[Kristallin|kristallinem]] Eis gibt es verschiedene Formen amorphen Eises, dieser Umstand wird Polyamorphismus genannt. Die verschiedenen amorphen Formen werden anhand ihrer Dichte unterschieden:
* niederdichtes amorphes Eis (LDA)
* mitteldichtes amorphes Eis (MDA)<ref>[https://www.spektrum.de/news/wasser-eiskalte-stahlkugeln-erzeugen-neue-art-von-eis/2105067]</ref>
* hochdichtes amorphes Eis (HDA) und
* sehr-hochdichtes amorphes Eis (VHDA).

== Formen ==

=== Niederdichtes amorphes Eis (LDA) ===

'''Niederdichtes amorphes Eis''' oder ''low-density amorphous ice'' (LDA) ist die am längsten bekannte Form von amorphem Eis.

Eine Möglichkeit, [[amorphes Material|amorphe Materialien]] zu erzeugen, besteht darin, diese so schnell abzukühlen, dass das Material keine kristalline Struktur ausbilden kann (siehe [[Vitrifizierung]]). Durch Kondensation von Wasserdampf auf einem abgekühlten Kupferstab konnte mit Hilfe des [[Debye-Scherrer-Verfahren]]s schon im Jahr 1935 gezeigt werden, dass sich unterhalb der [[Glasübergangstemperatur]] von Wasser (etwa 130 [[Kelvin|K]] bei 1 [[Bar (Einheit)|bar]]) ein Festkörper ohne kristalline Struktur bildet.<ref>{{Kapitälchen|Burton}}, E.F.; {{Kapitälchen|Oliver}}, W.F.: The crystal structure of ice at low temperatures. In: ''Proc. R. Soc. London Ser. A'' 153 (1935), S. 166–172</ref> Diese Form wurde zunächst ''amorphous solid water'' (ASW) genannt.

Weitere Herstellungsmöglichkeiten wurden 1980 entwickelt, bei welchen eine [[n-Heptan]]-Wasser-Emulsion in eine tiefkalte Flüssigkeit gesprüht wird, oder ein Wasser-Aerosol mit Überschallströmung auf eine tiefkalte Kupferplatte gesprüht wird. Dabei werden Kühlraten von 106 bis 107 K/s erreicht. Diese Form wird aufgrund ihrer Herstellung als ''hyperquenched glassy water'' (HGW) bezeichnet.<ref>{{Kapitälchen|Brüggeler}}, Peter; {{Kapitälchen|Mayer}}, Erwin: Complete Vitrification in pure liquid water and dilute aqueous solutions. In: ''Nature'' 288 (1980), S. 569–571 </ref>

Eine dritte Möglichkeit besteht darin, HDA (siehe unten) bei Umgebungsdruck aufzuwärmen. Diese Form wandelt sich bei etwa 120 K in niederdichtes amorphes Eis um.<ref name="refLDA">{{Kapitälchen|Mishima}}, Osamu; {{Kapitälchen|Calvert}}, L. D.; {{Kapitälchen|Whalley}}, Edward: An apparently first-order transition between two amorphous phases of ice induced by pressure. In: ''Nature'' 314 (1985), S. 76–78 </ref>

Diese drei Arten der Erzeugung, die alle zu einer Dichte von etwa 0,94 g/cm3 führen, wurden zunächst als unterschiedliche Formen erachtet. Johari u. a. publizierten 1996, dass ASW und HGW eine Glasübergangstemperatur von 135 K bei Umgebungsdruck besitzen, während diese für LDA bei 129 K liege.<ref>{{Kapitälchen|Johari}}, Gyan P.; {{Kapitälchen|Hallbrucker}}, Andreas; {{Kapitälchen|Mayer}}, Erwin: Two calorimetrically Distinct States of Liquid Water Below 150 Kelvin. In: ''Science'' 273 (1996), S. 90–92</ref> Neueren Erkenntnissen zufolge dürften allerdings alle drei Erzeugungsarten zur selben Form amorphen Eises führen, die als LDA bezeichnet wird.<ref>{{Kapitälchen|Bowron}}, Daniel T.; {{Kapitälchen|Finney}}, John L.; {{Kapitälchen|Kohl}}, Ingrid; u. a.: The local and intermediate range structures of the five amorphous ices at 80 K and ambient pressure. In: ''J. Chem. Phys.'' 125 (2006), S. 194502–1-194502-14 [http://homepage.uibk.ac.at/~c724117/publications/bowron06-jcp.pdf PDF]</ref><ref>{{Kapitälchen|Elsäßer}}, Michael S.; {{Kapitälchen|Winkel}}, K.; {{Kapitälchen|Mayer}}, Erwin; {{Kapitälchen|Lörting}}, Thomas: Reversibility and isotope effect of the calorimetric glass → liquid transition of low-density amorphous ice. In: ''Phys. Chem. Chem. Phys'' 12 (2010) 708–712 [http://homepage.uibk.ac.at/~c724117/publications/elsaesser10-pccp.pdf PDF]</ref>

=== Hochdichtes amorphes Eis (HDA) ===

1984 entdeckten Physiker um [[Osamu Mishima]] eine weitere Form amorphen Eises, die sich statt durch eine Temperaturänderung durch Kompression herstellen lässt. Sie zeigten, dass bei einer Temperatur von 77 Kelvin und einem Druck von 10 [[Vorsätze für Maßeinheiten|k]]<nowiki />bar hexagonales Eis gewissermaßen „schmilzt“ und in einen glasartigen, amorphen Zustand wechselt.<ref>{{Kapitälchen|Mishima}}, Osamu; {{Kapitälchen|Calvert}} L.D.; {{Kapitälchen|Whalley}}, Edward: "Melting ice" I at 77 K and 10 kbar: a new method of making amorphous solid. ''Nature'' 310 (1984), S. 393–395</ref> Diese Form amorphen Eises hat eine höhere Dichte von 1,17 g/cm3 und wird daher auch ''High-density amorphous ice'' (HDA) genannt. HDA und LDA lassen sich durch Änderung von Druck bzw. Temperatur ineinander überführen. Hierbei wurde ein scharfer Übergang beobachtet.<ref name="refLDA" />

=== Sehr-Hochdichtes amorphes Eis (VHDA) ===

Auch diese Form wurde 1996 von Mishima entdeckt, als er HDA bei Drücken zwischen 1 und 2 GPa auf 160 K erwärmte. Die erhaltene Form besitzt eine Dichte von 1,26 g/cm3 – ''very-high density amorphous ice'' (VHDA).

Anfänglich wurde VHDA nicht als eigene Form angesehen, bis 2001 Lörting u. a. dies vorschlugen.<ref>{{Kapitälchen|Lörting}}, Thomas; {{Kapitälchen|Salzmann}}, Christoph G.;{{Kapitälchen|Kohl}}, Ingrid; u. a.: A second distinct structural "state" of high-density amorphous ice at 77 K and 1 bar. ''Phys. Chem. Chem. Phys.'' 3 (2001) S. 2810–2818 [http://homepage.uibk.ac.at/~c724117/publications/loerting01-pccp.pdf PDF]</ref>

== Anwendung von amorphem Eis ==

Bei der [[Kryo-Elektronenmikroskopie]] werden wasserhaltige biogene Proben durch tiefkalte Flüssigkeiten wie [[Flüssigstickstoff|flüssigem Stickstoff]] oder flüssigem [[Helium]] vitrifiziert. So können die nativen Strukturen der Proben erhalten bleiben, ohne durch Eiskristalle verändert zu werden.

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* {{Kapitälchen|[[C. Austen Angell|Angell]]}}, C. Austen: Amorphous Water. In: Annu. Rev. Phys. Chem. 55 (2004), S. 559–583

* {{Kapitälchen|Mishima}}, Osamu; {{Kapitälchen|Stanley}}, H. Eugene: The relationship between liquid, supercooled and glassy water. '' Nature'' 396 (1998), S. 329–335 [http://www.nims.jp/water/Publications/MS1998nature-b.pdf PDF]

* {{Kapitälchen|Mishima}}, Osamu: Polyamorphism in water. In ''Proc. Jpn. Acad., Ser. B.'' 86 (2010), S. 165–175 [https://www.jstage.jst.go.jp/article/pjab/86/3/86_3_165/_article Downloadseite]

[[Kategorie:Eis]]

Amorphes Eis - Versionsgeschichte

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