Onlangs raakte in het Laser Energy Laboratory in Brighton, New York, een van 's werelds krachtigste lasers een druppel water, waardoor een schokgolf ontstond die de druk in dat water verhoogde tot miljoenen atmosferen en de temperatuur tot duizenden graden. De röntgenstralen die in dezelfde fractie van een seconde door deze druppel gingen, toonden de mensheid de eerste glimp van water in zulke extreme omstandigheden. Ze toonden aan dat het water in de schokgolf geen oververhitte vloeistof of gas werd. Nee, het water is bevroren.
Paradoxaal genoeg bevroor wateratomen om kristallijn ijs te vormen. Maar zoals de natuurkundigen verwachtten, tuurden ze naar de schermen in de volgende kamer.
"Je hoort een schot en op hetzelfde moment zie je dat er iets interessants is gebeurd", zegt Marius Millo van Livermore National Laboratory. Lawrence, die het experiment met Federica Coppari uitvoerde.
Wat gebeurt er met water onder hoge druk en temperatuur?
De resultaten van dit werk, deze week gepubliceerd in Nature, bevestigen het bestaan van "superionisch ijs", een nieuwe fase van water met bizarre eigenschappen. In tegenstelling tot het bekende ijs in de vriezer of op de Noordpool, is superionisch ijs zwart en heet. Een blokje van dit ijs woog vier keer het gebruikelijke gewicht. Het bestaan ervan werd meer dan 30 jaar geleden voor het eerst voorspeld, en hoewel het nog nooit eerder is gezien, geloven wetenschappers dat het een van de meest voorkomende soorten water in het universum is.
Zelfs in het zonnestelsel is het meeste water waarschijnlijk in de vorm van superionisch ijs - in de ingewanden van Uranus en Neptunus. Er is meer van dan vloeibaar water in de oceanen van de aarde, Europa en Enceladus. De ontdekking van superionisch ijs zou oude mysteries over de samenstelling van deze "ijsreuzen" kunnen oplossen.
Wetenschappers hebben al achttien verbazingwekkende ijskristalarchitecturen ontdekt, waaronder de hexagonale rangschikking van watermoleculen in gewoon ijs (Ih). Na ijs-I, dat in twee vormen voorkomt, Ih en Ic, zijn de rest van de vormen genummerd van II tot XVII in de volgorde van openen. Ja, "ice-9" bestaat eigenlijk, maar de eigenschappen zijn helemaal niet hetzelfde als in Kurt Vonnegut's roman "Cat's Cradle".
Promotie video:
Superionisch ijs kan aanspraak maken op de Ice-XVIII-mantel. Dit is een nieuw kristal, maar er zit één ding in. Alle eerder bekende waterijsjes zijn samengesteld uit intacte watermoleculen, waarin één zuurstofatoom is gebonden aan twee waterstofatomen. Maar superionisch ijs, zoals nieuwe metingen laten zien, is niet zo. Het bestaat in een soort surreële ledemaat, half vast, half vloeibaar. Individuele watermoleculen vallen uiteen. Zuurstofatomen vormen een kubusvormig rooster, maar waterstofatomen lopen vrij rond en stromen als vloeistof door een starre zuurstofcel.
Experts zeggen dat de ontdekking van superionisch ijs computervoorspellingen rechtvaardigt die materiaalfysici zouden kunnen helpen om toekomstige stoffen met individuele eigenschappen te creëren. En de ontdekking van dit ijs vereiste ultrasnelle metingen en nauwkeurige controle van temperatuur en druk, wat alleen mogelijk werd met de verbetering van experimentele methoden.
Natuurkundige Livia Bove van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek is van mening dat, omdat watermoleculen afbreken, dit niet echt een nieuwe fase van water is. "Het is een nieuwe toestand, die behoorlijk indrukwekkend is."
Ice puzzels
Natuurkundigen jagen al jaren op superionisch ijs - sinds een primitieve computersimulatie door Pierfranco Demontes in 1988 voorspelde dat water deze vreemde, bijna metalen vorm zou aannemen als het buiten de kaart van bekende ijsfasen zou worden geduwd.
Modellering heeft aangetoond dat onder sterke druk en hitte watermoleculen worden vernietigd. Zuurstofatomen zitten vast in een kubusvormig rooster en "waterstof begint steeds weer van de ene positie in het kristal naar de andere te springen", zegt Millo. Deze sprongen tussen roosterplaatsen zijn zo snel dat de waterstofatomen - die ioniseren en in wezen positief geladen protonen worden - zich gedragen als een vloeistof.
Er is gesuggereerd dat superionisch ijs elektriciteit zal geleiden als een metaal en waterstof zal werken als elektronen. De aanwezigheid van deze vrije waterstofatomen zal ook de wanorde van het ijs, de entropie, vergroten. Door de toename in entropie wordt ijs weer stabieler dan andere soorten ijskristallen, waardoor het smeltpunt stijgt.
Dit alles is gemakkelijk voor te stellen, het is moeilijk erin te geloven. De eerste modellen gebruikten vereenvoudigde fysica en waden door de kwantum-aard van echte moleculen. Latere simulaties voegden meer kwantumeffecten toe, maar omzeilden nog steeds de feitelijke vergelijkingen die nodig waren om de interactie van meerdere kwantumlichamen te beschrijven, wat te moeilijk te berekenen is. In plaats daarvan vertrouwden ze op benaderingen, waardoor de kans groter werd dat dit hele scenario in de simulatie een luchtspiegeling zou blijken te zijn. Experimenten konden ondertussen niet de nodige druk creëren en voldoende warmte genereren om deze sterke substantie te smelten.
En toen iedereen deze onderneming al had verlaten, uitten planetaire wetenschappers hun eigen vermoedens dat het water een superionische fase van ijs zou kunnen hebben. Rond dezelfde tijd dat deze fase voor het eerst werd voorspeld, ging de Voyager 2-sonde het buitenste zonnestelsel binnen en ontdekte iets vreemds in de magnetische velden van de ijsreuzen Uranus en Neptunus.
De velden rond andere planeten in het zonnestelsel lijken te bestaan uit goed gedefinieerde noord- en zuidpolen, zonder specifieke andere structuur. Het lijkt erop dat ze staafmagneten bevatten die zijn uitgelijnd met de rotatieassen. Planetologen associëren dit met "dynamo's": binnengebieden waar geleidende vloeistoffen stijgen en draaien terwijl de planeet roteert, waardoor enorme magnetische velden ontstaan.
De magnetische velden die afkomstig waren van Uranus en Neptunus zagen er daarentegen omslachtiger en complexer uit, met meer dan twee polen. Ze kwamen ook niet in de buurt van de rotatie van hun planeten. Een manier om dit te doen is door de geleidende vloeistof, die verantwoordelijk is voor de dynamo, op de een of andere manier te beperken tot slechts een dunne buitenste schil van de planeet, in plaats van deze in de kern te laten doordringen.
Maar het idee dat deze planeten solide kernen zouden kunnen hebben die geen dynamo's konden genereren, leek niet realistisch. Als je door deze ijsreuzen zou boren, zou je verwachten dat je eerst een laag ionisch water tegenkomt dat gaat stromen, stromingen geleidt en deelneemt aan een dynamo. Het lijkt erop dat zelfs dieper materiaal, zelfs bij hogere temperaturen, ook vloeibaar zal zijn, maar dit is naïef. Planetaire wetenschappers maken een grapje dat de ingewanden van Uranus en Neptunus helemaal niet solide kunnen zijn. Maar het bleek dat ze het kunnen.
Opspattend ijs
Coppari, Millo en hun team legden de puzzelstukjes in elkaar.
In een eerder experiment dat in februari 2018 werd gepubliceerd, hebben natuurkundigen indirect bewijs verkregen voor het bestaan van superionisch ijs. Ze persten een druppel water op kamertemperatuur tussen de puntige uiteinden van twee geslepen diamanten. Toen de druk steeg tot ongeveer een gigapascal, wat ongeveer 10 keer meer is dan op de bodem van de Mariana Trench, veranderde het water in een tetragonaal kristal, ijs-VI. Met 2 gigapascal veranderde het in ijs-VII, een dichtere, kubusvormige vorm die transparant is voor het blote oog en waarvan wetenschappers onlangs ontdekten dat deze ook voorkomt in kleine holtes in natuurlijke diamanten.
Vervolgens, met behulp van een OMEGA-laser in het Laser Energy Lab, richtten Millo en zijn collega's zich op Ice-VII, nog steeds ingeklemd tussen diamanten aambeelden. Toen de laser het oppervlak van de diamant raakte, verdampte hij het materiaal naar boven, waardoor de diamant in feite in de tegenovergestelde richting werd gegooid en een schokgolf door het ijs werd gestuurd. Millo's team ontdekte dat supergecomprimeerd ijs smolt bij ongeveer 4700 graden Celsius, zoals verwacht voor superionisch ijs, en dat het elektriciteit geleidde door de beweging van geladen protonen.
Nadat voorspellingen over de bulkeigenschappen van superionisch ijs waren bevestigd, had een nieuwe studie door Coppari en Millo de structuur ervan moeten bevestigen. Als je de kristallijne aard wilt bevestigen, heb je röntgendiffractie nodig.
Hun nieuwe experiment miste ice-VI en ice-VII helemaal. In plaats daarvan sloeg het team eenvoudig het water tussen de diamanten aambeelden met laserschoten. Miljardensten van een seconde later, toen de schokgolven doordrongen en het water begon te kristalliseren tot nanometer-ijsblokjes, voegden de wetenschappers 16 extra laserstralen toe om een dun stuk ijzer naast het monster te verdampen. Het resulterende plasma overspoelde het kristalliserende water met röntgenstralen, die vervolgens afbraken van de ijskristallen en het team in staat stelde hun structuur te onderscheiden.
De atomen in het water hebben zichzelf opnieuw gerangschikt in de lang voorspelde maar nooit eerder vertoonde architectuur, ijs-XVIII: een kubusvormig rooster met zuurstofatomen op elke hoek en in het midden van elk vlak.
En dit soort succesvolle kruisvalidatie van zowel simulaties als echt superionisch ijs suggereert dat de ultieme "droom" van onderzoekers van materiaalfysica binnenkort kan worden verwezenlijkt. "Je vertelt me welke materiaaleigenschappen je nodig hebt, we gaan naar een computer en zoeken theoretisch uit welk materiaal en welke kristalstructuur je nodig hebt", zegt Raymond Janlose, een wetenschapper aan de University of California, Berkeley.
De nieuwe analyse geeft ook aan dat hoewel superionisch ijs wat elektriciteit geleidt, het los maar stevig is. Het zal zich geleidelijk verspreiden, maar het zal niet stromen. Zo kunnen de vloeistoflagen in Uranus en Neptunus ongeveer 8000 kilometer landinwaarts stoppen, waar een enorme mantel van onvast superionisch ijs zal beginnen. Dit beperkt de meeste dynamo-actie op ondiepere diepten, gezien de ongebruikelijke velden van de planeten.
Andere planeten en manen in het zonnestelsel hebben waarschijnlijk niet de interne temperaturen en drukken die het bestaan van superionisch ijs mogelijk maken. Maar de veelheid aan exoplaneten ter grootte van de ijsreuzen suggereert dat deze substantie - superionisch ijs - in ijswerelden door de melkweg zal worden verspreid.
Natuurlijk zal geen enkele planeet alleen water bevatten. De ijsreuzen in ons zonnestelsel worden ook gemengd met methaan en ammoniak. De mate waarin superionisch gedrag daadwerkelijk plaats vindt in de natuur "zal afhangen van het bestaan van deze fasen wanneer we water mengen met andere materialen", zeggen de wetenschappers. Er moet echter ook superionische ammoniak bestaan.
De experimenten gaan door. Denk je dat we ooit zullen ontdekken wat er in het centrum van de grootste lichamen in ons zonnestelsel is?
Ilya Khel
