Generaties lang is onze ervaring met ijs beperkt gebleven tot de meest voorkomende vorm: zeshoekig ijs (Ih) – het soort dat drankjes koelt en winterse wegen verraderlijk maakt. Maar wetenschappers doorbreken deze vertrouwde grenzen en creëren meer dan twintig exotische kristallijne ijsstructuren die alleen bestaan onder extreme druk en temperaturen. Deze vormen, die je waarschijnlijk nooit in het dagelijks leven zult tegenkomen, onthullen de verbazingwekkende complexiteit die verborgen zit in het eenvoudigste molecuul op aarde: H₂O.
De verrassend complexe wereld van water
De kern van alle ijsvariëteiten is het watermolecuul zelf, bestaande uit één zuurstofatoom gebonden aan twee waterstofatomen in een hoek van 104,5 graden. Wat er tussen verschillende vormen van ijs verandert, is niet het molecuul, maar hoe die moleculen op elkaar inwerken via zwakke waterstofbruggen. Deze verbindingen, uitzonderlijk gevoelig voor temperatuur en druk, dicteren de rangschikking in kristallijne structuren.
Deze arrangementen kunnen variëren van het hexagonale prisma van gewoon ijs tot kubieke, rhomboëdrische en tetragonale roosters, allemaal gedicteerd door het gedrag van die waterstofbruggen. Deze gevoeligheid geeft water wat onderzoekers ‘kwantumachtig gedrag’ noemen – wat betekent dat kleine veranderingen in de omstandigheden moleculen tot dramatisch verschillende relaties kunnen dwingen.
Hoe wetenschappers exotisch ijs creëren
Om deze verborgen vormen te ontsluiten, maken wetenschappers gebruik van extreme omstandigheden. Dit omvat het toepassen van drukken tot 3000 keer de atmosferische druk of het koelen van water tot -200 °C met additieven zoals kaliumhydroxide, soms wekenlang.
De nieuwste doorbraak, gepubliceerd in Nature Materials, is Ice XXI, een vluchtige, blokvormige kristalstructuur gevormd onder intense compressie. Onderzoekers hebben deze voorbijgaande vorm waargenomen met behulp van een röntgenvrije-elektronenlaser – in wezen een hogesnelheidscamera die in staat is fenomenen vast te leggen die slechts enkele ogenblikken bestaan.
‘Door dingen heel, heel snel te bekijken, kunnen we vreemde en prachtige verschijnselen waarnemen’, legt Ashkan Salamat uit, een fysisch chemicus aan de Universiteit van Nevada, Las Vegas.
Beyond Earth: waar exotische ijssoorten zouden kunnen bestaan
Hoewel deze exotische ijsstructuren van nature niet op aarde voorkomen, kunnen ze wel aanwezig zijn in het binnenste van verre planeten of manen. Diep in Neptunus, of gevangen in ijzige manen, kunnen druk en temperatuur ervoor zorgen dat deze structuren zich vormen.
Voorlopig blijft het laboratorium echter de belangrijkste grens voor ontdekkingen. Zoals Salamat opmerkt: “Er zijn nog steeds nieuwe en opwindende dingen die we kunnen ontdekken.” Dit onderzoek vergroot ons begrip van materie onder extreme omstandigheden en duidt op het potentieel voor nog vreemdere vormen van ijs die nog moeten worden gevonden.
Het nastreven van exotisch ijs is niet alleen een academische oefening. Het onthult fundamentele eigenschappen van water en materie zelf, en verlegt de grenzen van wat we voor mogelijk hielden in het eenvoudigste maar meest cruciale molecuul in het universum.
