Vreemd genoeg is het vaste deel van de planeet waarschijnlijk gemaakt van ijs - de kristallijne vorm van water, of H2O, net zoals we dat op aarde hebben. Maar iedereen die op een hete zomermiddag een ijzige drank dronken is, weet hoe snel ijs kan smelten. Hoe wordt dit ijs zo heet, maar blijft het vaste ijs van iglo's en cocktails?
De waarheid ligt in de vreemde, bijna ongelooflijke wereld van scheikunde en natuurkunde: er is meer dan één soort ijs, gemaakt van hetzelfde soort water dat je elke dag drinkt. In feite zijn er minstens 17 ijsfasen die wetenschappers tot nu toe hebben ontdekt, waardoor ijs een veel gecompliceerder materiaal is dan iedereen ooit had gedacht.
Wetenschappers hebben de omstandigheden opnieuw gecreëerd om deze ongewone soorten ijs in hun laboratoria te maken, waaronder ijs X en XVI - de hogedrukijsjes waarvan wetenschappers geloven dat ze bestaan in het brandende klimaat van Gliese 436 b.
Een kunstenaarsimpressie van Gilese 436b met een komeetachtige wolk van waterstof. Ook afgebeeld is de ouderster, een zwakke rode dwerg genaamd Gliese 436. De waterstof verdampt van de planeet als gevolg van extreme straling van de ster. (Foto: ESA / Hubble / Public Domain)
Het blijkt dat water, het hoofdbestanddeel van onze biologische processen en de kracht achter het leven zelf, niet je typische vloeistof is, met tientallen anomalieën. "Het is ongebruikelijk dat er zoveel fasen zijn", zegt Emeritus professor Martin Chaplin, aan de London South Bank University. Chaplin bestudeert waterige systemen en is auteur van de meest uitgebreide ijs- en waterwebsite tot nu toe.
Water's vreemde anomalieën beginnen met zijn basisstructuur: wanneer watermoleculen verbinden, doen ze dit met een waterstofmolecuul. Deze binding is zo sterk dat water hogere temperaturen nodig heeft om te koken en smelten dan normaal wordt verwacht van vloeistoffen, en veel hoger dan zuurstof of waterstof alleen. Omdat deze verbindingen kunnen uitrekken, wordt de afstand tussen waterstof en zuurstof kleiner als de temperatuur stijgt en de afstand groter wordt als de druk toeneemt.
Een sneeuwvlok bekeken door een microscoop, bestaande uit Ice Ih. (Foto: Michael / WikiCommons CC BY-SA 2.0)
"Dit is een gevolg van de waterstofbinding en de relatief lage dichtheid bij lage drukken, waardoor veel meer dichte structuren mogelijk zijn", zegt Chaplin. De kristalstructuur van ijs Ih, het normale "hexagonale" gevormde ijs waarmee we in vriezers en sneeuwvlokken in contact komen, wordt ook bepaald door deze band, en vormt in onze atmosfeer een uniform, open rooster van hexagonale kristallen.
Dus wanneer de planeet Gliese 436 b onder superhoge druk staat, kraakt het ijs naar beneden, de moleculen strekken zich uit en verdichten zich in nieuwe vormen en de kristallijne structuur ervan is totaal veranderd. Als bijvoorbeeld ijs X op deze hete planeet voorkomt, zoals wetenschappers denken, blijft het vast door voor altijd te comprimeren tot een net, draadvormig rooster. Vergelijkbaar met hoe water kookt bij een lagere temperatuur in de bergen dan op zeeniveau, bij een hoge temperatuur onder extreme druk, zal ijs X een veel hogere temperatuur nodig hebben om te smelten dan wanneer het in de lichtere atmosfeer van de aarde is.
Binnenstructuur van Gliese 436b. (Foto: Dr. Jason Wright / WikiCommons)
En dat is slechts een vreemde ijsfase, allemaal uniek. Volgens de website van Chaplin is het ongeordende patroon van ijs VII waarschijnlijk te vinden op "reuzenplaneten en ijzige manen", ijs VI-moleculen zijn uitgelijnd in nette driehoekige roosters, en ijs V heeft een moleculaire structuur die eruit ziet als een K'NEX speelgoedsculptuur verdwenen fout. Ice III heeft een golvende, speelse kristalstructuur met moleculen die bijna lijken alsof ze dansen, terwijl ijs XVI lijkt op een honingraat en verschillende gassen kan vasthouden en opslaan. Kubisch ijs, ijs-ic genoemd, vormt waarschijnlijk de hoogste, koudste wolken van de atmosfeer van de aarde en het 3D-model lijkt op diamanten met punt en tafelgeslepen diamant..
Deze effecten in het lab recreëren, zoals je je misschien kunt voorstellen, is behoorlijk betrokken. Voordat iets begint, hebben ijswetenschappers omstandigheden nodig waarvan Chaplin zegt dat ze het uitdagend maken om te creëren. "Het is moeilijk om echt zuiver water te produceren," zegt Chaplin, en het is moeilijk om naar de moleculen zelf te kijken. "Bij lage temperaturen kunnen veranderingen in de structuur erg langzaam zijn."
Om deze fasen te bestuderen, verpletteren wetenschappers minder dan een gram ijs in een fijn poeder en onderkoelen het met vloeibare stikstof. Nadat ze in een speciale pers zijn geladen die gemaakt is van niet-reactieve materialen zoals wolfraamstaal of diamant, verwarmen ze het ijs langzaam, graadsgewijs langzaam, het ijsvolume verschuift, gedetecteerd door sensoren. In deze beperkte ruimte verandert de positie van de watermoleculen afhankelijk van de temperatuur en druk die op het ijs wordt uitgeoefend. Wetenschappers bekijken de moleculen met behulp van röntgenstralen of een proces genaamd neutronenkristallografie, dat een kleine straal neutronen gebruikt om een detecteerbaar patroon te vormen terwijl ze zich rond de ijsmoleculen verspreiden, waardoor een driedimensionaal beeld van de molecule ontstaat.
Structuur van Ice XVI. (Foto: Andrzej Falenty / WikiCommons CC BY 4.0)
Het is leuk om deze ijsjes in het lab te herscheppen, maar het is ook handig om onze kennis van het natuurlijke universum uit te breiden. "Izen bestaan waarschijnlijk op sommige planeten en manen onder hoge druk, en het is belangrijk om te weten wat hun eigenschappen zijn ... om het gedrag van die planeten en manen te begrijpen," zegt Chaplin. "Sommige ijsjes kunnen zich vormen in de hogedrukverwerking van materialen en voedingsmiddelen op aarde."
Hogedrukijsjes kunnen wetenschappers ook helpen bij het onderzoeken van biologische cellen; bevriezing bij hoge druk kan voorkomen dat het ijs tijdens het invriezen zijn volume en storend materiaal verhoogt, waardoor gevoelige organische cellen intact blijven. Sommigen hebben gesuggereerd dat ijs XVI kan worden gebruikt om methaangas, dat warmte produceert, van onder de bodem van de diepzee te verwijderen en te vervangen door minder schadelijke CO2.
Nadat hij ijsstructuren uitgebreid had bestudeerd, voorspelde Chaplin eigenlijk een nieuwe fase van ijs zeven jaar voordat het in 2007 werd ontdekt, het stapelen van verstoord ijs. "Op een nacht, toen ik sliep, realiseerde ik me dat deze gemengde kubieke en zeshoekige ijsstructuur kon worden opgevouwen in sferische (eigenlijk icosahedrale) structuren die veel van de onverklaarde, tot dan toe, eigenschappen van vloeistof konden verklaren water ", zegt Chaplin, die drie dagen niet kon slapen terwijl hij de nieuwe ijsfase voorspelde. Dit ijs vormt slanke, tetraëdrische vormen en wordt aangetroffen in hoge cirruswolken en contrails van vliegtuigen.
Een diagram van de structuur van Ice XVI. (Foto: Courtesy Martin Chaplain)
Een meer sinistere fase van ijs werd sensationeel voorspeld in de fictie van de jaren 60. Kurt Vonnegut schreef in zijn boek Cat's Cradle over ijs-negen, een rampzalige substantie die in staat is om de gehele watertoevoer van de aarde permanent in ijs te veranderen. "Ik ben dol op Vonnegut's ijs negen", zegt Chaplin, hoewel hij op zijn website verzekert dat deze fictieve versie "gelukkig geen wetenschappelijke basis heeft". (Het echte ijs IX is slechts een dichtere versie van ijs III en kan niet echt bestaan naast vloeibaar water, of zorgen voor een ijzige apocalyps).
Wetenschappers ontdekken nog steeds met enige regelmaat nieuwe soorten ijs, met veel meer kans dat ze komen. In februari 2016 stelde chemieprofessor Xiao Cheng Zeng voor dat er een nieuw ijs met een lage dichtheid VIII zou kunnen bestaan (hoewel het nog niet is gemaakt), wat het ijs met de laagste dichtheid zou kunnen zijn dat er is. Hoewel Chaplin zegt dat we nog niet over de mogelijkheden beschikken om enkele van de extreem hoge druk ijsjes te vinden, blijven wetenschappers ze zoeken.
De volgende keer dat u uw favoriete ijskoude drankje alleen maakt om te kijken in ontzetting als het minuten later smelt, onthoud dat ergens in het universum, datzelfde ijs een manier zou vinden om koel te blijven onder druk.
Update 3/1: Oorspronkelijk hebben we verwezen naar ice-nine, of IX, als IV. We betreuren de fout.