Wetenschappers creëren ijs zonder kou
Aan de buitenkant lijkt ijs een eenvoudig onderwerp; bevroren water en niet meer. Echter, in de hoge druk laboratoria van de European XFEL in Duitsland, heeft een internationaal team van onderzoekers iets ongewoons bereikt: ze creëerden ijs bij kamertemperatuur zonder het te koelen, maar door simpelweg water tussen twee diamanten te comprimeren.
Het resultaat was ijs XXI, de eenentwintigste bekende vorm van dit ogenschijnlijk eenvoudige maar verrassend complexe materiaal.
Een nieuw inzicht in de vorming van ijs
De ontdekking, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials, vergroot onze kennis over hoe ijs kan worden gevormd. In dit geval was de sleutel niet de temperatuur, maar de extreme druk, die ongeveer twee gigapascal bereikte, zo’n 20.000 keer de normale atmosferische druk.
Extreme druk tussen diamanten
Om deze nieuwe fase te creëren, gebruikten de wetenschappers een diamanten aambeeldcel, een apparaat dat functioneert als een microscopische pers die in staat is om drukken te genereren die gelijk zijn aan die in de diepten van planeten en manen.
Het water werd tussen twee diamanten geplaatst die, dankzij hun extreme hardheid, in staat waren om de vloeistof tot buitengewone niveaus te comprimeren. De procedure bestond uit het aanbrengen van drukpulsen van enkele milliseconden, gevolgd door korte intervallen van drukverlichting van één seconde. Dit proces werd meer dan duizend keer herhaald om te observeren hoe het water reageerde.
Lasers maken de transformatie zichtbaar
Om deze vluchtige veranderingen vast te leggen, maakte het team gebruik van de European XFEL in Duitsland, de grootste röntgenlaser ter wereld, die functioneert als een hoge snelheid camera die beelden kan maken in elke microseconde. Dit stelde hen in staat om de vorming van de kristallijne structuur in realtime vast te leggen met ultrakorte röntgenpulsen.
“De snelle compressie van water stelt het in staat om in vloeibare staat te blijven tot hogere drukken, waar het normaal gesproken al in ijs VI zou moeten zijn gekristalliseerd,” verklaarde Geun Woo Lee, onderzoeker aan het Koreaans Instituut voor Normen en Wetenschap (KRISS) dat de studie leidde.
Een verborgen pad naar ijs VI
IJs VI is een andere exotische fase waarvan wordt aangenomen dat deze bestaat in de binnenkant van ijzige manen zoals Titan en Ganymedes. Wat intrigerend is, is dat ijs XXI lijkt te fungeren als een tussenstap op die weg, een “tijdelijke omweg” die Lee en zijn collega’s metaforisch beschrijven als een “verborgen pad”. Deze meta-stabiele fase bestaat slechts tientallen microseconden voordat het verandert in ijs VI.
Latere experimenten in de fotonbron Petra III bevestigden dat ijs XXI een tetragonale kristallijne structuur heeft gevormd, bestaande uit blokken van 152 watermoleculen, een ongekende opstelling tussen de bekende ijsfases.
Gevolgen voor ijzige manen
“Onze bevindingen suggereren dat er mogelijk een groter aantal meta-stabiele ijsfases bij hoge temperatuur bestaat, evenals hun bijbehorende overgangswegen, wat nieuwe inzichten kan bieden over de samenstelling van ijzige manen,” Merkte Rachel Husband, de fysicus van het Desy Hibef-team, op.
Al met al biedt deze ontdekking een nieuwe kijk op de faseovergangen van water, een alledaags materiaal waarvan het gedrag veel ongebruikelijker is dan het lijkt. “Er zijn veel vragen over hoe een zo eenvoudig materiaal zoveel verschillende kristallijne fasen kan voortbrengen,” reflecteerde Lee. “Onderzoekers willen de gedetailleerde processen van de kristallisatie van water naar ijs begrijpen.”
