Meestal beschouwen we ijs als gewoon gekoeld water, eenvoudig, hard en koud. Maar water is eigenlijk een ‘meester in vermommingen’. Hoewel het uit slechts twee atomen bestaat, waterstof en zuurstof, kan het meer dan twintig verschillende soorten ijs vormen, die elk een unieke interne structuur hebben. Sommige ijsvormen zijn glad en vertrouwd, zoals gewone ijsblokjes in huishoudelijke koelkasten; terwijl in omgevingen met hoge druk, zoals diep in de aarde of op verre satellieten, enkele vreemde ‘ijsfasen’ kunnen optreden.

Wetenschappers onderzoeken deze mysterieuze ijssoorten al meer dan een eeuw, niet alleen uit nieuwsgierigheid, maar ook om te begrijpen hoe water zich gedraagt ​​onder extreme omstandigheden, inclusief waar buitenaards leven zou kunnen voorkomen.

Eerder onderzoek heeft nieuwe soorten ijs ontdekt, zoals Ice XIX, waarbij de zuurstofatomen op dezelfde manier zijn gerangschikt als Ice XV, maar de waterstofatomen anders zijn gerangschikt. Er is ook een nieuwe ijsfase genaamd Ice VIIIt, die voornamelijk diep in de aardmantel of op waterrijke exoplaneten voorkomt, en later werd geclassificeerd als bekend als Ice X.

Onlangs hebben wetenschappers van het Korea Institute of Standards and Science (KRISS) een gloednieuw type ijs ontdekt: officieel Ice XXI genoemd en de structuur ervan is compleet anders dan elk eerder bekend type.

Ze gebruikten een krachtig experimenteel apparaat gebouwd met een diamanten aambeeld en een röntgenlaser om het gedrag van extreem gecomprimeerd water bij kamertemperatuur te observeren. Onverwachts bevroor het water in dit drukbereik niet direct tot ijs, maar onderging het meerdere vries-dooicycli, en uiteindelijk werd ijs XXI geboren in het typische drukbereik van ijs VI.

Wat is er zo speciaal aan Ice XXI? Het heeft een unieke atomaire structuur die aanzienlijk verschilt van de meer dan twintig momenteel bekende ijssoorten. Wat nog belangrijker is, het vertoont een "metastabiele toestand", dat wil zeggen dat het nog kort kan bestaan ​​in een oorspronkelijk onstabiele omgeving, waardoor onderzoekers de mogelijkheid krijgen om het vormingsproces van ijs onder hoge druk te observeren. Verwacht wordt dat deze ontdekking wetenschappers zal helpen de materiële omgeving van de ijzige planeet en de diepe aarde te begrijpen.

"Door het water snel te comprimeren, blijft het vloeibaar bij hogere druk, waar het in ijs VI had moeten veranderen", legt KRISS-wetenschapper Geun Woo Lee uit.

Het onderzoeksteam gebruikte diamanten aambeelden om hoge druk te creëren, voerde experimenten uit met extreem zuivere watermonsters en gebruikte hogesnelheidscamera's, lasersensoren en realtime monitoringapparatuur om de bevriezings- en smeltprocessen van ijs bij normale temperaturen te observeren. Door de druk aan te passen, structurele overgangen vast te leggen en Raman-spectroscopie te gebruiken om veranderingen in de watermoleculen te analyseren, werd elk moment van bevriezing van water geregistreerd. De fluorescentie van microscopisch kleine robijnkristallen wordt gebruikt om de druk nauwkeurig te meten.

Wetenschappers gebruiken ook krachtige röntgenbundels van synchrotronstraling, gecombineerd met uiterst nauwkeurige detectoren en analyseprogramma's, om het exacte moment te observeren waarop water "abnormaal ijs" vormt. Om beter aan te sluiten bij het vriesritme van het ijs, wordt de druk uitgeoefend in een onregelmatig driehoekig ritme. Twee soorten detectoren registreerden gelijktijdig experimentele gegevens met respectievelijk 560.000 keer per seconde en 10 keer per seconde, waardoor ze de 'verborgen dans' van water dat in ijs verandert, konden weergeven.

Voor moleculaire dynamica-simulaties zijn twee modellen gebruikt, SPCfw en TIP4P/Ice. TIP4P/Ice vertegenwoordigt stijve watermoleculen, met in principe onveranderde hoeken en bindingslengtes, en is zeer geschikt voor de studie van hogedrukijs; het SPCfw-model is flexibeler en kan het buigen en strekken van waterstofbruggen tussen moleculen onder extreem hoge druk simuleren. De simulatietrends van de twee zijn in principe consistent en consistent met de experimentele resultaten.

In extreem gecomprimeerd water op kamertemperatuur ontdekten wetenschappers dat water niet in één stap bevriest, maar meerdere ijswatercycli ondergaat en uiteindelijk verandert in wat bekend staat als ijs VI. In dit drukbereik (ongeveer 1,6 GPa) ontdekten ze ijs XXI, waarvan de kristalstructuur op het lichaam gecentreerd tetragonaal is.

Ice XXI is heel bijzonder: hoewel de energie bij kamertemperatuur hoger is dan die van MS-Ice VII en de stabiliteit lager is, is het verschil niet groot. Wat interessanter is, is dat alleen Ice XXI kan worden omgezet in MS-Ice VII, maar gewoon water kan deze transformatie niet direct voltooien. Als water echter wordt gemengd met MS-Ice VII, kunnen beide onder hoge druk worden omgezet in Ice VI.

Met behulp van de krachtige röntgenlaser van de Europese XFEL hebben wetenschappers ontdekt dat water zich op minstens vijf verschillende manieren ontwikkelt als het bevriest, zelfs bij kamertemperatuur.

Geun Woo Lee merkte op: "Met behulp van de unieke röntgenpulsen van de Europese XFEL hebben we onthuld dat H2O meer dan duizend keer meerdere kristallisatiepaden kan ondergaan tijdens snelle compressie en decompressie."

Rachel Husband, lid van het onderzoeksteam, voegde eraan toe: "Deze bevindingen geven aan dat de metastabiele ijsfase en het transformatiepad ervan bij hoge temperaturen veel verder gaan dan de eerdere kennis, en zullen naar verwachting nieuwe onthullingen brengen in ons begrip van de materiële structuur van ijzige satellieten."

Relevant onderzoek is gepubliceerd in "Nature Materials".