Chinese onderzoekers zijn erin geslaagd om water te laten bevriezen in een kubusvormige ijskristallen. Van die bevinding zouden allerlei vakgebieden kunnen profiteren.

IJs in blokjes? Dat mag niets nieuws heten. Iedereen heeft wel zo’n traytje in de diepvries staan, om op warme dagen een glas cola nóg wat verfrissender te maken. Maar ijs dat uit zichzelf bevriest in blokjesvorm, op de schaal van moleculen en atomen: daar debatteert de wetenschap al over sinds de jaren veertig. Nu zijn Chinese onderzoekers erin geslaagd dit kubische ijs in pure vorm te laten ontstaan.

Lees ook:

• Mogelijk nieuwe vormen van zout ijs op buitenaardse manen
• Oud Antarctisch ijs onder de loep

Zeshoekig of kubusvormig

Sowieso kan water op zo’n twintig verschillende manieren bevriezen. Je hebt het dan bijvoorbeeld over ijs III, of ijs XIX. Maar hier gaat het over ‘gewoon’ ijs, oftewel ijs I. Dat heeft normaal gesproken een zeshoekige structuur: als op elkaar gestapelde laagjes kippengaas. De naam van dit type ijs: ijs I_h, met de h van hexagonaal.

Maar al decennialang bestaat het vermoeden dat er nog een tweede variant is van ijs-I, waarbij de watermoleculen in een kubusvorm zijn gerangschikt. Die variant heet ijs I_c, met de c van cubic, en kan alleen ontstaan bij temperaturen ver onder nul.

Op een laagje grafeen

In 2020 lukte het voor het eerst om puur ijs te maken met zo’n kubische structuur. Daarbij gingen onderzoekers wel uit van een exotische vorm van ijs – ijs XVII – die ze in vacuüm verwarmden tot -110 graden Celsius.

Nu zijn Xudan Huang en collega’s erin geslaagd ijs I_c te maken op een andere manier: door waterdamp neer te laten slaan op een laagje grafeen – een rooster van koolstof – bij -170 graden Celsius. Met een elektronenmicroscoop stelden ze vervolgens vast dat op die manier inderdaad ijs ontstaat dat voor het overgrote deel uit kubusjes bestaat.

Ook in de natuur?

Natuurkundige Federica Coppari is niet betrokken bij de nieuwe studie, maar doet wel zelf onderzoek naar waterijs aan het Lawrence Livermore National Laboratory in de VS. Zij zegt dat het inderdaad een langlopend debat is of ijs bij een lage druk kleine kubusjes kan vormen. “Er zijn wel veel verschillende soorten kubisch ijs die bij juist een hoge druk ontstaan, zoals ijs VII en ijs X.”

Bij het Chinese onderzoek heeft Coppari als kanttekening dat het niet helemaal duidelijk is of deze vorm van ijs, die nu in het lab is gemaakt, ook in de natuur voorkomt. “Wel hebben de onderzoekers laten zien dat ze hun resultaat op verschillende ‘ondergronden’ kunnen reproduceren.” Dat maakt het volgens haar aannemelijk dat ijs I_c niet alleen in het lab kan ontstaan.

Ingrediënt van kometen

Hebben we iets aan deze kennis? Volgens de Chinese Academie van Wetenschappen wel. Die schrijft in een ronkend persbericht dat het onderzoek “belangrijke implicaties heeft voor ons begrip van ijsvormingsgedrag onder verschillende omstandigheden, wat brede toepassingen heeft binnen velden als materiaalwetenschap, geologie en klimaatwetenschap.”

“Eerder is voorgesteld dat kubisch ijs kan voorkomen in de atmosfeer en in kometen – omgevingen waar van nature een lage temperatuur en een lage druk heerst”, geeft Coppari als voorbeeld. “Dus als we deze vorm van ijs nu in het lab kunnen laten ontstaan onder vergelijkbare omstandigheden, is dat inderdaad bijzonder en kan dat een impact op zo’n onderzoeksveld hebben.”

Bronnen: Nature, Chinese Academy of Sciences via EurekAlert!

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 

Openingsbeeld: Katkov-Zhukotskiy Petr/CC BY 4.0