Twaalfde vorm van ijs gemaakt uit zwaar do onder hoge druk

Onderzoekers van de universiteit van Göttingen in Duitsland en van het University College London hebben een nieuwe vorm van ijs ontdekt (Nature, 15 januari). Deze komt voor bij een temperatuur van -13 °C en bij drukken tussen 2000 en 6000 atmosfeer. Tot nu toe waren al, afhankelijk van druk en temperatuur, elf verschillende (allotrope) vormen van ijs bekend. Bij al deze kristalstructuren vormen de watermoleculen via waterstofbruggen ruimtelijke netwerken van regelmatige viervlakken: ieder zuurstofatoom is steeds tetraëdrisch omringd door vier andere zuurstofatomen.

Onder normale omstandigheden heeft ijs een geringere dichtheid dan water, hetgeen samenhangt met de relatief grote ruimten die zich in de vaste vorm tussen de moleculen bevinden. Als ijs onder druk wordt gezet, worden de waterstofbindingen verbroken en kunnen de moleculen zich op andere manieren gaan rangschikken. Er ontstaan dan andere kristalstructuren, met relatieve dichtheden die kunnen oplopen tot boven de 1,6. De kristalstructuur kan worden afgeleid met behulp van neutronendiffractie: verstrooiing van door het ijs geschoten neutronen geeft informatie over de posities van de atoomkernen.

Duitse en Engelse onderzoekers hebben nu een twaalfde vorm van ijs gemaakt door een kleine hoeveelheid zwaar water (DO) in een hogedrukcel met behulp van argongas samen te persen tot een druk van 5500 atmosfeer. De cel werd in een cryostaat (koudefles) eerst snel afgekoeld tot -3 °C en vervolgens in de loop van vier uur langzaam tot -13 °C. Deze manier van afkoelen bleek - achteraf - nodig om te voorkomen dat het (bekende) ijs V zou ontstaan. Als het water gedurende een periode van één tot drie uur onder deze druk en temperatuur werd gehouden, ontstond ijs van een tot dan toe onbekende vorm. De onderzoekers stellen voor om deze vorm 'ijs XII' te noemen.

De nieuwe, allotrope vorm heeft een dichtheid van 1,437 kg/m, hetgeen vrijwel gelijk aan die van ijs IV (1,436). Beide variëteiten zijn zeer waarschijnlijk ook metastabiel, wat wil zeggen dat een kleine verstoring ze doet overgaan in een andere vorm: ijs V. Maar ondanks deze overeenkomsten heeft ijs XII een geheel andere bouw dan ijs IV. De kristalstructuur is tetragonaal, terwijl de eenheidscel (de basiseenheid van het kristal) uit twaalf watermoleculen bestaat. Lokaal zijn echter ook ringen van vijf en zeven moleculen te onderscheiden. Deze twaalfde vorm van ijs laat opnieuw zien hoe veelzijdig het watermolecuul als 'bouwelement' is.