In de loop van de 20e eeuw hebben natuurkundigen die gespecialiseerd zijn in de fysica van hoge drukken 20 verschillende fasen van kristallijn ijs geïdentificeerd. Deze fasen zijn ontdekt onder zeer uiteenlopende fysische omstandigheden, met een temperatuurbereik van meer dan 2000 K en een drukbereik van meer dan 100 GPa. Vandaag is een 21e ijsvorm geïdentificeerd en bestudeerd met een röntgenlaser.
De ontdekking waarover vandaag in een artikel in Nature Materials wordt gesproken, illustreert opnieuw twee zeer belangrijke gebieden van de natuurkunde, die echter waarschijnlijk weinig bekend zijn bij het grote publiek, dat tegenwoordig waarschijnlijk veel meer geïnteresseerd is in zwarte gaten, kwantumcomputers of het zoeken naar leven elders.
De twee gebieden in kwestie zijn kristallografie en hogedrukfysica. De wetenschappelijke kristallografie begon aan het einde van de 18e eeuw, vooral onder impuls van abbé René Just Haüy in Frankrijk. Aan het begin van de 20e eeuw onderging het een revolutie door de ontdekking en ontwikkeling van de röntgenwetenschap.
Ook de hogedrukfysica heeft in de afgelopen eeuw een belangrijke ontwikkeling doorgemaakt, waardoor met name de fysica van het binnenste van de aarde en nu ook die van de reuzenplaneten van het zonnestelsel met hun satellieten kan worden onderzocht, en uiteindelijk ook de wereld van de exoplaneten buiten het zonnestelsel enigszins kan worden verkend.
Een röntgenlaser om gecondenseerde materie te bestuderen
Maar laten we terugkeren naar de publicatie die aan het begin van dit artikel werd vermeld en die verslag doet van het werk van een internationaal team van onderzoekers, geleid door leden van het Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), maar dat gebruik heeft gemaakt van een röntgenbron in een spectaculaire omgeving in verband met de Europese laser met vrije elektronen en röntgenstraling (in het Engels: European X-ray free-electron laser, of European XFEL), die zich niet ver van het onderzoekscentrum Desy in Hamburg, Duitsland, bevindt. Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron: Duitse elektronensynchrotron) is een belangrijk onderzoekscentrum in Europa op het gebied van deeltjesfysica.
Dankzij de European XFEL konden natuurkundigen die zich bezighouden met vaste stoffen gebruikmaken van bijzonder intense laserpulsen in het röntgengebied om te bestuderen wat er gebeurt wanneer water bij kamertemperatuur wordt blootgesteld aan drukken van meer dan 2 gigapascal (2 GPa) wordt blootgesteld op een tijdschaal van microseconden (µs, een miljoenste van een seconde). Hierdoor konden zij voor het eerst ter wereld een tot dan toe onbekende manier van kristallisatie van water ontdekken en vooral een nieuwe fase van ijs, de 21e, genaamd IJs XXI.
De vele gezichten van water
Laten we niet vergeten dat water een van de vreemdste stoffen in het waarneembare universum is. Het zet uit wanneer het bevriest, in tegenstelling tot de meeste vloeistoffen, gedraagt zich als een bijna universeel oplosmiddel en is natuurlijk noodzakelijk voor het leven, althans zoals wij dat op aarde kennen. Tot op zekere hoogte kunnen we een deel van de eigenschappen ervan reproduceren door middel van wetenschappelijke en complexe berekeningen op de computer met de vergelijking van Schrödinger. Maar experimenten blijven onmisbaar om al zijn geheimen te ontrafelen.
We weten met name dat het in verschillende fasen kan voorkomen zodra het gestold is en dat er dus verschillende soorten waterijs bestaan, zoals blijkt uit verschillende experimenten die zijn uitgevoerd door de natuurkundige P. W. Bridgman. Hij heeft bijgedragen aan de uitbreiding van onze kennis over de soorten ijs door in 1912 eerst ijs V en VI te maken en vervolgens in 1937 ijs VII. Vóór hem werd het eerste ijs dat door de mensheid werd ontdekt, namelijk dat van gletsjers en sneeuw, aan het begin van de 20ee eeuw door de Estse natuurkundige en chemicus Gustav Heinrich Tammann (van Duits-Baltische afkomst) geclassificeerd onder de naam “Ih-ijs” (de letter “h” geeft aan dat het deel uitmaakt van de kristallen met een hexagonale kristalstructuur).
Om de omstandigheden in de diepten van planeten na te bootsen, kunnen monsters van materiaal tussen de punten van twee diamanten worden geplaatst. De diamanten worden vervolgens tegen elkaar gedrukt om zeer hoge drukken te produceren. Een infraroodlaserstraal kan het monster vervolgens tot 1000 °C en meer verwarmen.
Het binnenste van planeten in het laboratorium
Laten we ook niet vergeten dat het aan Nobelprijswinnaar voor natuurkunde Percy Williams Bridgman, en vooral aan zijn leerling Francis Birch, te danken is dat is aangetoond dat de mantel van de aarde voornamelijk bestaat uit silicaten en dat onze planeet ook een vloeibare buitenkern en een vaste binnenkern heeft, die beide bestaan uit ijzer.
Wist u dat?
Percy Williams Bridgman (1882-1961), Nobelprijswinnaar voor natuurkunde in 1946, heeft de weg vrijgemaakt voor de studie van materie onder hoge druk in het binnenste van planeten. Hij had als studenten Robert Oppenheimer, de grote geofysicus Francis Birch en John Hasbrouck van Vleck (Nobelprijs voor natuurkunde in 1977). Hij wordt beschouwd als een van de meest invloedrijke theoretici van het operationalisme in de epistemologie.
Bridgman was namelijk een van de pioniers van de fysica van hoge drukken die men aantreft op grote diepte, in de mantel of in het centrum van de aarde, en zelfs in het centrum van reuzenplaneten zoals Jupiter. Hiervoor had hij een techniek uitgevonden en ontwikkeld waarmee monsters van materiaal konden worden blootgesteld aan drukken van meer dan 100.000 atmosferen met behulp van diamanten aambeeldcellen. Er bestaan verschillende moderne afstammelingen van deze instrumenten.
Geun Woo Lee van het Koreaanse Instituut voor Normalisatie en Wetenschap (Kriss) heeft onbekende fasen en kristallisatiemechanismen in water onder snelle compressie onthuld met behulp van de dynamische diamant-aambeeldcel (dDAC) en het instrument voor hoge energiedichtheid (HED). Hij en zijn team hebben de structurele veranderingen van water met hoge dichtheid (HDW) bestudeerd en de overgangsroutes voor verschillende compressiesnelheden in kaart gebracht. Dankzij de diamant-aambeeldcellen en de European XFEL-laser, waarmee snelle compressiesnelheden kunnen worden gecontroleerd en gedetecteerd, zijn tijdelijke metastabiele fasen met een zeer korte levensduur aan het licht gekomen.
Over het nieuwe ijs dat op aarde is gesynthetiseerd met behulp van een diamant-ambankcel, legt een van de auteurs van de ontdekking, Lee Yun-Hee, in een persbericht van de Koreaanse National Research Council of Science & Technology uit dat “de dichtheid van Ice XXI vergelijkbaar is met die van de hogedruk-ijslagen in de ijzige manen van Jupiter en Saturnus. Deze ontdekking zou nieuwe aanwijzingen kunnen opleveren voor het onderzoek naar de oorsprong van het leven in de extreme omstandigheden van de ruimte“.
Een nieuw fasediagram voor water
Het maakt het in ieder geval mogelijk om het reeds bekende fasediagram van de thermodynamica van water bij verschillende drukken en temperaturen, waarin meer dan tien soorten ijs worden genoemd, nog iets verder aan te vullen. De studie van deze verschillende fasen zou ons algemene informatie kunnen verschaffen over de manier waarop we op aarde nieuwe materialen kunnen verkrijgen en zo technologische sprongen kunnen katalyseren. In dit verband denken we natuurlijk aan het onderzoek naar metallisch waterstof, dat ons de sleutel zou kunnen geven tot supergeleiding bij kamertemperatuur.
Om wat meer duidelijkheid te scheppen over wat de fysici van de gecondenseerde materie hebben gedaan, kunnen we beginnen met te zeggen dat ze eerst een druk van twee gigapascal in 10 milliseconden (een milliseconde is gelijk aan een duizendste van een seconde) hebben gegenereerd op een watermonster, met een snelheid van compressie van 120 gigapascal per seconde. Dit veroorzaakte de tijdelijke vorming van ijs, zelfs bij kamertemperatuur, waarbij de moleculen veel compacter zijn dan in natuurlijk ijs. Vervolgens hebben ze de druk van de aambeeldcel in één seconde afgebouwd met behulp van een piëzo-elektrisch systeem, dat gebruikmaakt van het vermogen van piëzo-elektrische materialen om uit te zetten of samen te trekken onder invloed van een elektrisch veld, aldus een persbericht van de European XFEL
Daarin wordt toegevoegd dat “het team de röntgenstralen van de European XFEL heeft gebruikt om elke microseconde, oftewel een miljoenste van een seconde, beelden van het monster vast te leggen. Dankzij de extreem hoge frequentie van deze impulsen, vergelijkbaar met die van een hogesnelheidscamera, konden ze de vorming van de ijsstructuur filmen”.
Geun Woo Lee verduidelijkt: “Dankzij de unieke röntgenstralen van de European XFEL hebben we meerdere kristallisatieroutes in water aangetoond, dat meer dan 1000 keer snel werd samengedrukt en gedecomprimeerd met behulp van een dynamische diamanten aambeeldcel.”
“Onze resultaten wijzen op het bestaan van een groter aantal metastabiele ijsfasen bij hoge temperatuur en de bijbehorende overgangsroutes, wat nieuw inzicht zou kunnen geven in de samenstelling van ijzige manen”, concludeert Rachel Husband, lid van het team van Desi Hibef.
