Wetenschappers ontdekken ‘stop motion-versie van water’ (en dat kan weleens verstrekkende gevolgen hebben)

Het is in feite een heel nieuwe type ijs – dat meer op vloeibaar water lijkt dan elke andere vorm van ijs – dat mogelijk voorkomt op ijsmanen in de buitenste regionen van ons zonnestelsel.

Onderzoekers hebben in een nieuwe studie een nieuw soort ijs ontdekt. Het nieuwe ijs is amorf, wat betekent dat het geen geordende (of gekristalliseerde) structuur heeft, zoals bij normaal ijs wel het geval is. Wat met name zo bijzonder is, is dat het ijs meer op vloeibaar water lijkt dan elk ander bekende vorm van ijs. De ontdekking breidt ons begrip van water uit en kan mogelijk zelfs de vele anomalieën helpen verklaren.

Water: een raadselachtige substantie
Ondanks dat water overal op aarde voorkomt en deel uitmaakt van ons dagelijks leven, is het nog altijd een raadselachtige substantie. “Water is de basis van al het leven,” zegt onderzoeker Christoph Salzmann. “Ons bestaan hangt ervan af en we lanceren ruimtemissies om ernaar te zoeken. Maar vanuit wetenschappelijk oogpunt wordt het nog altijd slecht begrepen.” Dat heeft er onder andere mee te maken dat water op tientallen punten afwijkt van ‘gewoon’ fysisch gedrag. Dat ijs drijft is bijvoorbeeld zo’n anomalie. Normaal gesproken is een vaste stof zwaarder dan de vloeistof. Maar bij water is het net andersom. Water heeft bij een temperatuur van vier graden Celsius de grootste dichtheid. De dichtheid neemt vervolgens af als het bevriest.

Nieuw ontdekt type ijs
Niet voor niets blijven onderzoekers water dan ook bestuderen. En dat heeft nu tot de interessante ontdekking van een nieuw type ijs geleid. In de studie maakten onderzoekers gebruik van een kogelmolen, waarbij gewoon ijs samen met stalen kogels bij een temperatuur van -200 graden Celsius door elkaar werd geschud.

Deel van de kogelmolen waarmee onderzoekers amorf ijs met gemiddelde dichtheid wisten te fabriceren. Afbeelding: Christoph Salzmann

Het resultaat? Geen kleine stukjes ijs, zoals je wellicht vermoedt, maar een nog onbekende, amorfe vorm van ijs. “We hebben het ijs lange tijd als een gek geschud,” vertelt onderzoeker Alexander Rosu-Finsen. “We realiseerden ons dat we een geheel nieuw soort ijs hadden gemaakt, met een aantal opmerkelijke eigenschappen.”

IJs met gemiddelde dichtheid (MDA)
Opvallend genoeg heeft dit nieuwe ijstype – in tegenstelling tot alle andere bekende ijssoorten – dezelfde dichtheid als vloeibaar water. Anders gezegd, de toestand ervan lijkt op water in vaste vorm. “We vonden opmerkelijke overeenkomsten tussen MDA en vloeibaar water,” zegt onderzoeker Michael Davies.

Onderzoekers hebben een nieuwe vorm van ijs ontdekt die qua moleculaire structuur erg lijkt op vloeibaar water (links), vergeleken met gewoon kristallijn ijs (rechts). Afbeelding: University of Cambridge

De onderzoekers stellen dat het nieuw ontdekte ijs de ware glasachtige toestand van vloeibaar water zou kunnen zijn – dat wil zeggen, een nauwkeurige replica van vloeibaar water in vaste vorm. De onderzoekers hebben dit nieuwe ijs ‘ijs met een gemiddelde dichtheid’ (MDA) genoemd. “We hebben aangetoond dat het mogelijk is om de ‘stop motion-versie van water’ te creëren,” aldus onderzoeker Andrea Sella. “Dit is een onverwachte en vrij verbazingwekkende bevinding.”

Hoofdtypen van amorf ijs
Op dit moment zijn er twintig kristallijne vormen van ijs bekend. Daarnaast zijn er slechts twee hoofdtypen van amorf ijs ontdekt, namelijk amorf ijs met een hoge dichtheid en amorf ijs met een lage dichtheid. En zoals de namen al suggereren, bestaat er tussen deze twee een grote dichtheidskloof. “Over het algemeen wordt aangenomen dat er binnen die dichtheidskloof geen ijs bestaat,” legt Salzmann uit. “Maar onze studie toont nu aan dat de dichtheid van MDA precies binnen deze dichtheidskloof ligt. Deze bevinding kan verreikende gevolgen hebben voor ons begrip van vloeibaar water en zijn vele anomalieën.”

IJsmanen
De ontdekking van MDA roept enkele prangende vragen op. Zou het bijvoorbeeld ook in de natuur voorkomen? Wat we in ieder geval wel weten, is dat amorf ijs – hoewel zeldzaam op aarde – het belangrijkste type ijs in de ruimte is. Dat komt omdat ijs in de barre, koude omgeving van het heelal niet over genoeg thermische energie beschikt om kristallen te vormen. De onderzoekers theoretiseren dan ook dat MDA mogelijk voorkomt in ijsmanen die zich ophouden in de buitenste regionen van het zonnestelsel. Dat komt omdat de gasreuzen Jupiter en Saturnus mogelijk vergelijkbare getijdenkrachten op ijs uitoefenen als die de onderzoekers nabootsten met de kogelmolen.

Warmte
Daarnaast heeft MDA nog een opmerkelijke eigenschap die niet in andere vormen van ijs voorkomt. Zo ontdekten de onderzoekers dat wanneer MDA herkristalliseert tot gewoon ijs, er een buitengewone hoeveelheid warmte vrijkomt. Deze warmte die vrijkomt bij de herkristallisatie van MDA zou mogelijk een rol kunnen spelen bij de activatie van tektonische bewegingen. Simpel gezegd kan het voor heuse ‘ijsbevingen’ zorgen, bijvoorbeeld in de kilometers dikke ijslaag op manen zoals Ganymedes. Meer in het algemeen laat deze ontdekking zien dat water een hoogenergetisch geofysisch materiaal kan zijn. “Amorf ijs is waarschijnlijk de meest voorkomende vorm van water in het universum,” zegt onderzoeker Angelos Michaelides. “De vraag is nu hoeveel ervan MDA is – én hoe geofysisch actief MDA precies is.

De ontdekking van MDA roept veel vragen op over de aard van vloeibaar water. Onderzoek naar MDA gaat door. Zo willen de onderzoekers de precieze atomaire structuur blootleggen, wat uiteindelijk de sleutel kan zijn tot een beter begrip van ’s werelds beroemdste vloeistof. “Bestaande watermodellen moeten opnieuw worden getest,” meent Salzmann. “Het bestaan van amorf ijs met gemiddelde dichtheid moet nu worden verklaard. Dit kan het startpunt zijn om uiteindelijk vloeibaar water te kunnen uitleggen.”

Bronmateriaal

"Discovery of new ice may change understanding of water" - University College London (via EurekAlert)

"New ice is like a snapshot of liquid water" - University of Cambridge (via EurekAlert)

Afbeelding bovenaan dit artikel: BreizhAtao van BreizhAtao's Images (via canva.com)

Fout gevonden?

Voor jou geselecteerd