IJs op IJsland (foto: Hansueli Krapf/Wikimedia Commons).

Pas ontdekte vorm van water-ijs is "echt vreemd"

Onderzoekers hebben het bestaan van superionisch ijs bevestigd, een fase van water die tegelijk vast en vloeibaar is. De nieuwe fase - een toestand waarin materie kan voorkomen - bestaat uit een rigide rooster van zuurstofatomen, wat dus op ijs lijkt, en daardoor vloeien positief geladen waterstofkernen, zoals in een vloeistof. De nieuwe vorm komt enkel voor onder extreem hoge druk en bij extreem hoge temperaturen. Het experiment kan op termijn leiden tot de ontwikkeling van nieuwe materialen.

Onderzoekers zijn erin geslaagd superionisch ijs te maken, een vreemde vorm van ijs die tegelijk vloeibaar en vast is. Ze bevestigen daarmee de theorie dat een dergelijke vorm zou bestaan, en een groot deel zou kunnen uitmaken van de mantel van gasreuzen als Neptunus en Uranus. Gedacht  wordt dat het in de mantels van die planeten heet genoeg is en dat de druk er hoog genoeg is om superionisch ijs te laten ontstaan. 

"Het is een zeer vreemde staat van materie", zei Marius Millot aan "The New York Times". Millot is een natuurkundige aan het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië en de belangrijkste auteur van de studie over het superionisch ijs.

Superionisch water bestaat uit een rigide rooster van zuurstofatomen (rood en geel en groen), met daartussenin waterstofionen (blauw). Er zouden twee vormen van bestaan: de minder stabiele bcc-vorm (links), en de stabielere fcc-vorm (rechts).  (Illustratie:  Hugh F. Wilson et al. , American Physical Society 2013).

Eenvoudige molecule

Water is een eenvoudige molecule, twee waterstofatomen verbonden met een zuurstofatoom, maar toch heeft het veel fases - verschijningsvormen. Geleerden kenden al 15 kristallijne fases, die waargenomen zijn bij experimenten, en er werden nog 8 extra fases theoretisch voorspeld. En daarvan is er nu dus een gevonden. 

Bij gewoon water vormen de twee waterstofatomen en het zuurstofatoom een V-vorm, en in gewoon ijs dat op aarde gevonden wordt, verbinden die V's zich met elkaar in een luchtige structuur. Daardoor komt het dat water, in tegenstelling met bijna alle andere stoffen, uitzet als het bevriest en dat ijs drijft op water. Als ijs samengedrukt wordt, herverdelen de waterstof- en de zuurstofatomen zich in andere kristalstructuren, en dat zijn die andere vormen van ijs die we kennen. 

Theoretici voorspelden 30 jaar geleden voor het eerst dat superionisch ijs  zou kunnen bestaan onder extreem hoge druk en bij erg hoge temperaturen. De hitte doet de chemische bindingen tussen de waterstof- en de zuurstofatomen smelten, terwijl de hoge druk de grotere en zwaardere zuurstofatomen in een vaste kristalstructuur houdt. Die kristalstructuur is vast, zoals ijs, terwijl de waterstofkernen, of ionen, erdoorheen vloeien, een vloeistof.  

Dat maakt van superionisch ijs een geleider van elektriciteit zoals een metaal, maar de stroom wordt gedragen door positief geladen ionen in plaats van door negatief geladen elektronen. 

"Het is alsof het waterijs gedeeltelijk gesmolten is", zei Raymond Jeanloz, een professor aard- en planeetkunde aan de University of California, Berkeley, en een van de auteurs van de studie. 

IJs en water in een bergriviertje (Foto: Nicolas A. Tonelli/Wikimedia Commons).

25.000 kilogram druk per vierkante centimeter

In het nieuwe experiment drukten de onderzoekers van Lawrence Livermore eerst water samen tussen twee stukken diamant, met een druk van meer dan 25.000 kilogram per vierkante centimeter, 25.000 keer meer dan de druk van de lucht op het aardoppervlak. Het water wordt daardoor in een soort van ijs gedrukt dat "ijs VII" genoemd wordt, dat zo'n 60 procent dichter is dan gewoon water, en dat vast is bij kamertemperatuur. Elke diamanten cel waartussen het water samengedrukt werd, bevatte ongeveer twee tienduizendste van een milliliter water. 

De onderzoekers brachten dan het samengedrukte ijs, in hun handbagage, naar de University of Rochester, waar het bestookt werd met een stoot laserlicht. Dat stuurde schokgolven door het ijs die 10 tot 20 miljardste van een seconde duurden, en het ijs opwarmden tot duizenden graden en een druk uitoefenden van meer dan een miljoen keer de atmosferische druk.  Dergelijke omstandigheden bestaan binnen in Uranus en Neptunus, en ongetwijfeld ook in talloze andere gasreuzen rond andere sterren in het universum, en ze zetten het "ijs VII" om in superionisch ijs.

Eerdere experimenten door andere teams hadden al elektriciteit geleidend water opgeleverd dat mogelijk superionisch was, maar die onderzoekers konden niet vaststellen of de stroom gedragen werd door ionen, en niet door elektronen. Hier waren doctor Millot en zijn collega's in staat om de optische verschijning van het ijs vast te leggen. Als elektronen er zich zouden rondbewegen, zou het reflecterend geweest zijn - dat is waarom metalen blinkend zijn. Maar het staal uit het experiment was niet blinkend maar mat. Dat wijst op een beweging van ionen, en dus op superionisch ijs.  

Het superionische ijs smolt tot een vloeistof op een temperatuur van zo'n 4.700 graden Celsius.

Ik ben altijd verrast door de vindingrijkheid van de experimentele mensen

Professor Roberto Car

"Verbazingwekkend experiment"

"Het is een behoorlijk verbazingwekkend experiment, en de resultaten komen overeen met de theoretische en computervoorspellingen", zei Roberto Car aan "The New York Times". Car is professor scheikunde aan Princeton, en een van de geleerden die superionisch ijs onderzocht hebben aan de hand van computersimulaties.

Het superionisch ijs zou de scheve, excentrische magnetische velden kunnen helpen verklaren van Uranus en Neptunus, de zevende en de achtste planeet van ons zonnestelsel, die bekendstaan als gas- of ijsreuzen. In de jaren 80 werden ze even bezocht door de Voyager 2 van de NASA, en toen bleek er iets vreemds aan de hand met hun magnetische velden. Mogelijk ontstaan de magnetische velden van die ijslichamen ten minste gedeeltelijk in korsten van superionisch ijs in hun mantel, in plaats van in de kern van de planeet, zoals dat bij de aarde het geval is. 

Dr. Jeanloz van Berkeley zei dat de overeenkomst tussen het experiment en de voorspelling, de hoop inhield dat onderzoekers de basisnatuurkunde van hoe moleculen zich over het algemeen gedragen onder veranderende temperaturen en druk, goed genoeg beginnen te begrijpen om die kennis ook praktisch te kunnen gebruiken.  

"Als men dit soort van voorspellingen begint te valideren, geeft dat de hoop dat men kan beginnen te denken aan het ontwerpen van nieuwe materialen", zo zei Jeanloz. "Materialen waarbij jij me zegt welke eigenschappen je wil, en iemand kan dan een computer gebruiken om uit te zoeken welk soort materiaal, welke elementen je samen moet brengen, en hoe ze samengebracht moeten worden om met die eigenschappen voor de dag te komen."

Professor Car heeft aan de hand van zijn computermodellen gesuggereerd dat er verschillende vormen van superionisch ijs zouden kunnen zijn, waarbij de zuurstofatomen zich in andere kristalstructuren zouden herschikken bij een nog hogere druk (zie eerste illustratie in tekst). 

Dat zal niet eenvoudig getest kunnen worden, maar Car is al erg onder de indruk dat de theorie überhaupt getest is. "Ik ben altijd verbaasd over de vindingrijkheid van de experimentele mensen, in het uitvinden van manieren om zowel de extreme omstandigheden te creëren die zoiets als superionisch ijs produceren, als in het bedenken van sluwe manieren om het resultaat te verifiëren", zo zei hij.

De studie van Millot en zijn team over het experiment is verschenen in "Nature Physics".