IJs hoeft niet koud te zijn. Als je een flinke druk uitoefent op water, dan kun je het laten bevriezen bij kamertemperatuur. Japanse en Koreaanse onderzoekers tonen aan hoe je met die druk ook de vorm van de ijskristallen kan bepalen.

Om een druppel water bij kamertemperatuur samen te persen tot ijskristallen heb je een druk nodig van meer dan 9.000 atmosfeer. Dat is de druk die een flinke Afrikaanse olifant uitoefent op de vloer als hij of zij daar balancerend op een enkele naaldhak op zou staan. De onderzoekers bereikten de benodigde druk door waterdruppels in hun laboratorium samen te persen tussen twee diamanten.

Een fietshelm voor elke fietser?
LEES OOK
Een fietshelm voor elke fietser?

3D naar 2D

De onderzoekers plaatsten een druppel met een doorsnee van 0,13 millimeter in de diamantpers. Ze varieerden de snelheid waarmee ze de druk op de druppel lieten toenemen en toonden aan dat ze zo de vorm van de ijskristallen konden variëren.

Als het water samengedrukt wordt met een snelheid van minder dan 0,0013 millimeter per seconde ontstaan er driedimensionale kristallen. Deze ijskristallen hebben de vorm van een octaëder (een regelmatig achtvlak). Onder invloed van hoge druk groeien de kristallen. Na 125 milliseconden onder langzaam toenemende druk is het kristal ongeveer 35 bij 35 bij 35 micrometer groot.

Als de druk sneller toeneemt, verloopt de kristalgroei anders. Er vormt weer een kleine octaëder. Maar na een paar milliseconden beginnen de hoeken uit te stulpen en lijken de zijden naar binnen te keren. En dan plots – groeit het kristal enkel nog maar in het platte vlak. Dit platte vlak groeit tien keer sneller dan het driedimensionale kristal dat deed. Het is alsof het octaëder-kristalletje razendsnel vleugels krijgt. Na 18 milliseconden onder snel toenemende druk is dit tweedimensionale, snelgroeiende, platte kristal 0,13 micrometer dik en 70 bij 70 micrometer groot.

A. Waterdruppel die langzaam wordt samengeperst. Links onderin ontstaat een kristal dat geleidelijk groeit. B. Waterdruppel die snel samengeperst wordt. Links onderin ontstaat een kristal waaruit razendsnel een plat vlak groeit. Bron: Y. Kim et al.

De onderzoekers zagen dat het vlak groeit vanuit de randen van het driedimensionale kristal, en niet vanuit de hoeken, zoals normaal gesproken het geval is bij groeiende kristallen. Uit computermodellen bleek dat het snelle samenpersen voor een extra hoge druk op de kristalranden zorgt. Daardoor wordt de kristalgroei die richting op ‘geduwd’.

Ingevroren biefstuk

De snelheid waarmee de druk toeneemt, beïnvloedt dus de vorm van de ijskristallen. Die eigenschap kan mogelijk toegepast worden bij het invriezen van etenswaren. Als vlees bij een normale luchtdruk wordt ingevroren, ontstaan er platte, zeshoekige ijskristallen met puntige, naaldvormige hoeken. Die kristallen prikken de cellen en het weefsel van het vlees kapot. Dat verandert de structuur en de smaak van het vlees. Daarom is een biefstuk die ontdooid is nooit zo sappig en smakelijk als een verse biefstuk.

Volgens de onderzoekers is het beter om vlees in te vriezen bij hoge druk. De ijskristallen die dan ontstaan hebben minder puntige hoeken. Onder die omstandigheden zou de kwaliteit van het vlees beter behouden blijven.