Waterijs kan op moleculair niveau op allerlei verschillende manieren in elkaar zitten. Er waren al achttien varianten bekend; nu is daar een negentiende aan toegevoegd.
Als het over soorten ijs gaat, zullen de meeste mensen denken aan vanille, aardbei of pistache. Maar ook binnen de wetenschap is er een breed scala aan ‘ijzen’. Wat er in je vriezer zit, heet ice I, maar er zijn inmiddels heel wat meer varianten bekend.
Eén zo’n variant hebben fysisch chemicus Tobias Gasser van de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk en collega’s nu in detail bestudeerd. Op basis daarvan hebben ze het kunnen hernoemen naar ice XIX: de negentiende ‘officiële’ ijssoort.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Andere formatie
Om dit ijs te kunnen maken, begin je met ice VI, een ijssoort die van nature voorkomt. Toch zul je dit ijs niet bij koud weer op de stoep aantreffen; het ontstaat alleen bij een druk die 10.000 keer hoger is dan de atmosferische druk op zeeniveau. Zulke omstandigheden zijn bijvoorbeeld te vinden in de aardmantel of rond de kern van ijsmanen zoals die van Jupiter.
Wat zowel ice I (‘gewoon’ ijs dus) als ice VI typeert, is dat het een zekere mate van wanorde kent. Elk watermolecuul bestaat zoals bekend uit twee waterstofmoleculen en één zuurstofmolecuul. Bij ice I en VI zijn die zuurstofmoleculen weliswaar netjes gerangschikt in een zeshoekig rooster, maar vertonen de waterstofatomen veel meer willekeur.
Koel je zulk ijs vervolgens af, dan gaan ook de waterstofatomen bij een bepaalde temperatuur netjes volgens een bepaald patroon liggen en krijg je een nieuwe variant. Zo kun je ice VI veranderen in ice XV als je het koelt tot -143 graden Celsius, bij een druk van 1 miljard pascal.
Drie jaar geleden ontdekten Gasser en anderen echter dat er iets anders gebeurt als je ice VI langzamer afkoelt tot -170 graden Celsius, bij een twee keer zo hoge druk. Dan nemen de waterstofatomen een alternatieve formatie aan en krijg je dus een nieuwe ijsvariant, die destijds ice β-XV werd gedoopt.
Zwaar water
De vraag was alleen: is dit echt een nieuwe soort ijs, die zijn eigen Romeinse cijfer verdient? Om dat te achterhalen, moesten de Oostenrijkse wetenschappers het ijs aftasten met een vorm van straling. ‘Meestal gebruik je bij dat soort onderzoek röntgenstraling’, zegt Martin Lutz, hoogleraar structurele biochemie aan de Universiteit Utrecht. ‘Zulke straling heeft interactie met de elektronen in een kristal. Maar een waterstofatoom heeft maar één elektron, dus daar is die interactie heel zwak. Wil je dus de posities van waterstofatomen bepalen, bijvoorbeeld in ijs, dan moet je neutronenstraling gebruiken. Die deeltjes hebben namelijk interactie met de atoomkern.’
Wel werken zulke metingen met neutronen een stuk beter als je werkt met zwaar water in plaats van gewoon water. Waar de waterstofkernen in gewoon water namelijk uit niets dan een proton bestaan, bevatten de waterstofkernen in zwaar water ook een neutron. ‘En met zulke kernen heeft neutronenstraling veel meer interactie’, legt Lutz uit.
Helaas verloopt het betreffende ijsvormingsproces veel langzamer als je alle waterstof vervangt door de zwaardere variant. Gasser bedacht echter een even simpel klinkende als effectieve truc: als je ook een beetje gewoon water door het zware water mengt, verloopt de ijsvorming weer een stuk sneller.
Uit de metingen die het team vervolgens kon doen, en die volgens Lutz behoorlijk uitdagend zijn, bleek dat ice β-XV inderdaad een andere structuur heeft dan ice XV. Vanaf nu mag dit ijs dus een écht nieuwe ijssoort heten.
