Bizarre vorm van heet ijs op Aarde geobserveerd

IJs is een vrij doodgewoon materiaal, of het nu in de zeeën rond de Zuidpool drijft of zich in de krochten van je diepvriezer bevindt. Maar overal in het zonnestelsel en daarbuiten kan deze bevroren substantie bij extreme temperaturen en onder enorme druk veranderen in steeds vreemdere varianten.

Onderzoekers hebben nu röntgenopnamen kunnen maken van vermoedelijk de nieuwste versie van ijs: een extreem geleidend materiaal dat als ‘superionisch’ ijs wordt aangeduid. Zoals het team gisteren in het tijdschrift Natureberichtte, komt dit ijs voor bij een druk die vier miljoen maal hoger is dan op zeeniveau op aarde en bij temperaturen die half zo hoog zijn als die aan de oppervlakte van de zon.

“Ja, we hebben het inderdaad over ijs,” zegt onderzoeksleider Marius Millot, natuurkundige aan het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië. “Maar dan van meerdere duizenden graden Celsius.”

Dit soort omstandigheden zijn op aarde doorgaans niet te vinden maar zouden zich kunnen voordoen in het binnenste van de ijsreuzen Uranus en Neptunus. Het nieuwe ijs zou ons meer kunnen vertellen over de wijze waarop deze afgelegen planeten werken en daarbij meer inzicht kunnen bieden in de oorsprong van de merkwaardige magneetvelden rond beide planeten.

Voorbij Vonnegut

Wetenschappers kennen inmiddels zeventien varianten van ijs in kristallijne vorm en noemen het nieuwe superionische ijs dus ‘Ice XVIII’ (fans van de schrijver Kurt Vonnegut kunnen gerust zijn: Ice XVIII is veel ongevaarlijker dan ‘ice-nine’, de fictieve voorloper uit Vonneguts sciencefictionroman Cat’s Cradle (Geen kind en geen wieg)). Ruim dertig jaar geleden voorspelden natuurkundigen al dat water onder enorme druk tot superionische vormen kan worden samengedrukt.

Superionische materialen zijn extreem tweeslachtig: ze zijn half vaste stof, half vloeistof. Op moleculair niveau bestaan ze uit een kristalrooster dat is doordrongen van atoomkernen die zich vrij kunnen bewegen en elektrische lading kunnen voeren. In water – H₂O – zouden de zuurstofatomen daarbij tot een vast kristal worden samengedrukt, terwijl de waterstofatomen als in een vloeistof blijven rondvliegen. (Een ander team van wetenschappers dat met kalium werkt, heeft onlangs bevestigd dat er een fase van materie bestaat die zowel vast als vloeibaar is.)

“Ice XVIII is een tamelijk exotische staat van materie,” zegt medeauteur Federica Coppari, eveneens van het Livermore-laboratorium.

In deze foto met meervoudige belichting van een experiment met behulp van röntgendiffractie worden zeer krachtige lasers op een monster met water gericht dat op de voorste plaat van een diffractometer voor het opnemen van diffractogrammen is aangebracht. Aanvullende laserbundels produceren een röntgenflits vanaf een ijzerfilm, waardoor onderzoekers een opname van het samengeperste en verhitte waterlaagje kunnen maken.

Vorig jaar ontdekten Millot, Coppari en hun collega’s het eerste bewijs voor superionisch ijs. Daarbij maakten ze gebruik van aambeelden van diamant en schokgolven die door lasers worden voortgebracht om vloeibaar water dusdanig samen te persen dat het gedurende een paar miljardsten van een seconde in vast ijs verandert. Uit metingen van het team bleek dat de elektrische geleidbaarheid van dit waterijs gedurende korte tijd honderden malen groter werd, een duidelijke aanwijzing dat het superionisch was geworden.

Bij hun laatste tests gebruikten de onderzoekers zes reusachtige laserbundels om een reeks schokgolven te produceren om een dun laagje vloeibaar water in vast ijs te veranderen. De schokgolven creëerden een druk die miljoenen malen hoger lag dan die op zeeniveau op aarde, en een temperatuur tussen de 1600 en 2700 graden Celsius. Met behulp van röntgenflitsen met nauwkeurig gemeten tussenpauzes kon het materiaal worden gescand, opnieuw gedurende een paar miljardsten van een seconde, en daaruit bleek dat de zuurstofatomen inderdaad een kristalvorm hadden aangenomen.

De zuurstofatomen waren dicht opeengepakt in zogenaamde vlakgecentreerde kubussen – kleine doosjes met één atoom op elke hoek en eentje in het centrum van elk zijvlak. Het is de eerste keer dat deze rangschikking in waterijs is geobserveerd, zegt Coppari.

Hoewel sommige omstandigheden van de twee experimenten die door het team werden uitgevoerd elkaar bevestigden, zal er meer onderzoek nodig zijn om definitief te bewijzen dat het inderdaad om superionisch ijs gaat, zegt Roberto Car, een natuurkundige van de Princeton University die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken. Toch denkt hij dat de nieuwe studie een belangrijke illustratie is van de ‘kneedbaarheid’ van water.

“Het feit dat materie zichzelf in zo veel verschillende vormen kan rangschikken, is echt verbluffend,” zegt hij.

Magnetische mysteries

De bevindingen van het team worden al toegepast op modellen voor Uranus en Neptunus. Deze zogenaamde ijsreuzen zijn enorme planeten die voor ongeveer 65 procent uit water bestaan. Daarnaast zijn ze opgebouwd uit lagen ammonia en methaan, vergelijkbaar met de lagen van gesteenten en metalen rond de aardmantel en de aardkern.

De nieuwe experimenten wijzen erop dat Uranus en Neptunus beide worden omringd door lagen van superionisch ijs die vergelijkbaar zijn met de aardmantel, die weliswaar uit vast gesteente bestaat maar op een geologische tijdschaal blijft ‘stromen’. En die lagen zouden kunnen verklaren waarom deze planeten zulke merkwaardige magneetvelden hebben.

Aangenomen wordt dat de magneetvelden van de aarde, Jupiter en Saturnus allemaal worden veroorzaakt door interne dynamo’s in hun kern. De krachtvelden van deze planeten lopen min of meer langs hun rotatie-as, alsof ze uitgaan van kolossale staafmagneten die dwars door het centrum van de planeten lopen. (Wat gebeurde er toen wetenschappers de meest actuele kaart van het aardmagnetisch veld wilden maken?)

Daarentegen doet het magnetisch veld van Neptunus denken aan dat van een interne staafmagneet die naar één kant overhelt, waarbij de beide uiteinden zich halverwege tussen de polen en de evenaar bevinden. Het magneetveld van Uranus is nóg vreemder, want het lijkt op dat van een staafmagneet die helemaal is omgekeerd, wat betekent dat de magnetische zuidpool ergens op het noordelijk halfrond van de planeet ligt. Vermoed wordt dat de magneetvelden van beide ijsreuzen instabiel zijn.

Volgens Millot zouden zich aan de bovenzijde van de superionische ijslagen op Uranus en Neptunus vloeibare lagen kunnen bevinden die bestaan uit een fase van water met een hoge elektrische geleidbaarheid. Daar zou de oorsprong van de magneetvelden kunnen liggen, veel dichter onder het oppervlak dan magneetvelden op andere werelden en op aarde, en het zou verklaren waarom die velden zo buitenissig zijn. Omdat astronomen inmiddels talloze Neptunus- en Uranus-achtige exoplaneten hebben ontdekt, zouden deze bevindingen ook van toepassing kunnen zijn op afgelegen hemellichamen in de kosmos.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com