Der wissenschaftlichen Gemeinschaft ist ein bedeutender Durchbruch in der Erforschung der fundamentalen Eigenschaften von Wasser gelungen: Die Entdeckung der einundzwanzigsten bekannten Eisform, die die Bezeichnung Eis XXI erhielt. Diese bahnbrechende Erkenntnis, die im Fachjournal „Nature Materials“ veröffentlicht wurde, stellt die bisherigen Vorstellungen darüber, wie sich H2O-Moleküle im festen Zustand anordnen können, grundlegend in Frage – insbesondere wenn die üblichen Temperatur- und Druckgrenzen überschritten werden. Eis XXI ist eine metastabile Phase mit einer tetragonalen Kristallstruktur. Sie konnte zwar bei Raumtemperatur erzeugt werden, dies erforderte jedoch eine kolossale Kompression.
Die wegweisenden Untersuchungen fanden in deutschen Forschungszentren statt, darunter das Europäische Röntgenlaser XFEL und die Photonenquelle PETRA III, unter Beteiligung von Experten des DESY. Eine Schlüsselrolle bei dieser Arbeit spielten Wissenschaftler des Korean Research Institute of Standards and Science (KRISS). Das Kernstück des Experiments war die beispiellos schnelle Manipulation der Wasserprobe: Sie wurde mittels einer Diamantstempelzelle innerhalb von nur 10 Millisekunden auf einen Druck von bis zu 2 Gigapascal (GPa) komprimiert, was in etwa 20.000 Atmosphären entspricht. Dieser Vorgang wurde tausendfach wiederholt. Um die molekularen Veränderungen detailliert erfassen zu können, wurden die Kristallisationsprozesse mit einer Frequenz von einer Million Aufnahmen pro Sekunde dokumentiert.
Die neu identifizierte Struktur unterscheidet sich signifikant von den zwanzig bereits bekannten Modifikationen des Eises. Ihr tetragonales Gitter zeichnet sich durch ungewöhnlich große Elementarzellen aus. Analysen, die an der Beamline P02.2 von PETRA III durchgeführt wurden, ergaben, dass diese Zellen 152 Wassermoleküle enthalten. Die Forscher, insbesondere Geun Woo Lee von KRISS, hoben hervor, dass die extrem schnelle Kompression es dem Wasser ermöglichte, den flüssigen Zustand bei einem Druck beizubehalten, bei dem es normalerweise bereits in Eis VI übergehen müsste. Eis VI ist eine Phase, deren Existenz man im Inneren von Eismonden wie Titan und Ganymed vermutet.
Obwohl die unmittelbare praktische Anwendung dieser Entdeckung im Alltag aufgrund der extremen Entstehungsbedingungen begrenzt ist, ist ihre Bedeutung für die Astrophysik kaum zu überschätzen. Das Verständnis des Verhaltens von Wasser unter solch extremen Bedingungen eröffnet völlig neue Perspektiven für die Modellierung des inneren Aufbaus von Eisplaneten und deren Satelliten. Dieses Wissen dient als Katalysator für die Überarbeitung bestehender Modelle, da jede neue Phase, wie Eis XXI, verborgene Möglichkeiten der Materie aufzeigt. Die Demonstration einer solch komplexen Wandelbarkeit in Wasser, einer scheinbar so vertrauten Substanz, erinnert uns an das grenzenlose Potenzial der Erkenntnis, das selbst in den einfachsten Systemen verborgen liegt, und spornt Forscher an, weiterhin nach unentdeckten, metastabilen Zuständen bei höheren Temperaturen zu suchen.