Amerikaanse wetenschappers hebben een nieuwe manier ontdekt waarop water kan bevriezen.

Waterijs is waterijs, zou je zeggen. Oké, je hebt raketjes, perenijsjes enzovoort. Maar als je niets dan puur water bevriest – oftewel moleculen die bestaan uit één zuurstofatoom en twee waterstofatomen – krijg je simpelweg ijs – toch? 

Nou nee. Inmiddels zijn er negentien ‘hoofdsoorten’ ijs bekend, genummerd met Romeinse getallen: van ijs I (het ijs dat wij kennen) tot en met het vorig jaar bevestigde ijs XIX. Door water tussen twee diamanten op elkaar te drukken, hebben natuurkundige Zach Grande van de Universiteit van Nevada Las Vegas en zijn team nu een nieuwe soort ijs weten te maken: niet ijs XX, maar ijs VIIt.

Vierhoekig ijs

Zoals de naam al aangeeft, lijkt ijs VIIt op ijs VII. IJs VII ontstaat bij een druk van 2,1 gigapascal,  oftewel: een druk ruim 20.000 keer zo hoog als die aan het aardoppervlak. Bij deze vorm van ijs zijn de zuurstofatomen uit het water gerangschikt als kubussen, met één zuurstofatoom in het midden van de kubus en één op elk hoekpunt.

Als je nu de druk verder ophoogt, tot zo’n 5 gigapascal, veranderen die kubussen in balken, stelden Grande en collega’s vast. Omdat de ontstane vorm van ijs niet genoeg verschilt van ijs VII om het een heel nieuw Romeins nummer te geven, noemden ze deze ijssoort VIIt. Daarbij staat de t voor tetragonaal (‘vierhoekig’).

Veel lagere druk

Nu is deze nieuwe vorm van ijs geen eindstation. Als je de diamanten waar het ijs tussen zit nog harder tegen elkaar aandrukt, krijg je ijs X. Bij deze vorm van ijs zitten de waterstofatomen precies tussen de zuurstofatomen in.

Dat ijs VII op een gegeven moment in ijs X verandert, was al bekend. Alleen dachten onderzoekers – zowel op basis van theoretische berekeningen als op basis van eerdere experimenten – dat dat pas gebeurt bij een druk van zo’n 100 gigapascal. Uit het werk van Grande blijkt nu dat ijs X al ontstaat bij een druk van bij 30 gigapascal.

Kleine korreltjes

Waar dat best grote verschil door komt? “Theoretische berekeningen die de druk voorspellen waarbij ijs X ontstaat, gaan grotendeels uit van klassieke natuurkunde”, legt Grande uit. “Effecten vanuit de quantummechanica (de theorie die de wereld van het allerkleinste beschrijft – red.) worden genegeerd. Neem je die wel mee, dan kom je uit bij een veel lagere druk.”

En die experimenten dan waarin ijs X ook pas bij een veel hogere druk ontstond? Daarbij ervoeren verschillende delen van het ijs een verschillende druk, zegt Grande, wat de metingen beïnvloedde. Om dat te voorkomen, gebruikte het team waar hijzelf deel van uitmaakte een laser die het ijs opdeelde in kleine korreltjes. Daardoor was de druk die elk beetje ijs ervoer min of meer gelijk en stond er ook minder spanning op het ijs. Dat maakte het punt waarop het ijs overging naar ijs X beter te bepalen.

Diamanten zetten ijs onder druk

Water wordt onder hoge druk gezet door twee diamanten, terwijl er een laser op schijnt die het ontstane ijs in korreltjes opdeelt. (Foto: Chris Higgins/UNLV)

Dun laagje ijs

Het resultaat heeft gevolgen voor hoe we denken over planeten elders in het heelal die voor een groot deel uit water bestaan. Volgens de oude kijk op zaken zou een flink deel van dat water de vorm van ijs VII moeten hebben, dat op grote diepte (waar de druk heel hoog is) zou zijn overgegaan in ijs X. Als de metingen van Grande kloppen, moet je eerder denken aan een vrij dun laagje ijs VII, daaronder een dikke laag ijs VIIt, en daaronder al vrij snel ijs X. “Al zal het in werkelijkheid wel ingewikkelder zijn”, zegt Grande. “In ons experiment gebruikten we  puur water, terwijl planeten heel veel verschillende stoffen bevatten.”

Verder blijkt uit het werk van Grande en collega’s dat ijs X zich veel minder goed laat samendrukken dan gedacht. “Dat betekent dat planeten die veel water bevatten groter zullen zijn dan we eerder aannamen.”