Perfect ijs breekt niet, maar buigt

Materiaal Draadjes van ijs die niet breken maar buigen. Dat kan. Maar dan moeten ze bestaan uit één, bijna perfect, uniform kristal.

Een ijsvezeltje van vier miljoenste meter dik wordt gebogen zonder te breken. Het elastische gedrag was tot dusver louter voorspeld in theoretische berekeningen en simulaties, maar nog nooit aangetoond.
Een ijsvezeltje van vier miljoenste meter dik wordt gebogen zonder te breken. Het elastische gedrag was tot dusver louter voorspeld in theoretische berekeningen en simulaties, maar nog nooit aangetoond. Foto’s Peizhen Xu, Bowen Cui, Xin Guo, Limin Tong/Zhejiang University

Een ijsblokje veert niet terug als je erop duwt en een dichtgevroren sloot kun je niet gebruiken als trampoline. Bevroren water is stijf en broos. Het breekt voordat het buigt. Maar niet altijd. In uitzonderlijke situaties blijkt ijs elastisch. Minuscule ijsdraadjes van enkele micrometers dik kunnen kromgebogen worden tot bijna een cirkelvorm, zonder te breken. Bij het losgelaten veren ze terug naar hun oorspronkelijke vorm.

Dit tonen onderzoekers aan met splinterdunne ijsdraadjes die ze voorzichtig en gecontroleerd lieten groeien in hun lab. Hun resultaten verschenen deze donderdag in Science. Naast elastisch zijn de ijsdraadjes ook transparant, waardoor licht er gemakkelijk en efficiënt doorheen reist, zoals door glasvezel. Deze bijzondere eigenschappen zijn niet alleen interessant voor beter begrip van de fysica van ijs. Het biedt ook mogelijkheden voor technologische toepassingen, in optische systemen of functionele microstructuren. Die moeten dan wel ijskoud zijn. De ijsdraadjes presteren namelijk het best bij -150°C. Dat klinkt onrealistisch, maar experimentele quantumcomputers werken bij nog lagere temperaturen en zouden dus een toepassing kunnen zijn.

Het elastische gedrag werd wel al voorspeld

Limin Tong onderzoeker

Het groeien van de draadjes is een koud kunstje. De onderzoekers steken een naald van wolfraam in een ijskoude ruimte (-50°C) waar de lucht verzadigd is met waterdamp. Vervolgens zetten ze een hoge spanning (2.000 volt) op de punt van de naald. Dit zorgt ervoor dat watermoleculen worden aangetrokken door de wolfraampunt. Daar plakken ze aan elkaar en zo groeien er bijna perfect hexagonale (zeshoekige) naaldjes van een paar micrometer dik en ongeveer 0,2 millimeter lang, met super egale oppervlakken. Vervolgens worden deze ijsdraadjes losgemaakt van de wolfraamnaald en bij temperaturen van -70°C en -150°C onderworpen aan materiaalonderzoek en tests.

Dat je deze ijsdraadjes kan buigen tot een bijna cirkelvormige kromming – met een straal van slechts 20 micrometer – was geen grote verrassing, vertelt Limin Tong van Zhejiang University in China. „Hoewel het nog nooit experimenteel was aangetoond, werd het elastische gedrag wel al voorspeld in theoretische berekeningen en simulaties.”

Nauwelijks defecten

De ijsdraadjes zijn veerkrachtiger dan van nature voorkomend waterijs, omdat ze uit één, bijna perfect, uniform kristal bestaan, zonder onregelmatigheden, zegt Tong. De spanning die op het materiaal komt te staan als je het buigt, wordt daardoor gelijkmatig verdeeld, waardoor het draadje niet breekt en elastisch terugveert. Het ijs in je vriezer of op een winters slootje is verre van perfect. Daarin zitten defecten, zoals moleculaire onregelmatigheden en (micro)scheurtjes. Dat zijn zwakke punten van waaruit breuken in het ijs kunnen ontstaan onder druk.

De ijsdraadjes bevatten nauwelijks defecten omdat ze klein en dun zijn en bovendien onder gecontroleerde, ijskoude omstandigheden gemaakt zijn. Dit zorgt ook voor de goede optische eigenschappen. „Defecten verstrooien of absorberen licht”, zegt Tong. „Daardoor treedt er verlies op in natuurijs. Terwijl onze ijsdraadjes zonder defecten licht geleiden met zeer weinig verlies.”

De ijsdraadjes zijn heel transparant en geleiden dus ook goed licht.

Foto Peizhen Xu, Bowen Cui, Xin Guo, Limin Tong/Zhejiang University

„Het is interessant dat de onderzoekers experimenteel laten zien dat waterijs zo elastisch is”, zegt Herma Cuppen, hoogleraar computationele chemie aan de Radboud Universiteit, die niet betrokken was bij het onderzoek. „Maar het is niet heel verrassend omdat we weten dat bijvoorbeeld dunne metalen structuren elastischer buigen dan een groot blok.”

De bijzondere resultaten die nu behaald zijn met waterijs, zijn mogelijk ook haalbaar met andere – minder snel smeltende – kristallijne materialen die normaal gesproken bros en breekbaar zijn. Cuppen: „Er moet nog wel onderzocht worden of het ook werkt voor materialen die uit grotere en complexere moleculen bestaan dan water.”

Correctie 9-7: In een eerdere versie van dit artikel stond dat Herma Cuppen hoogleraar is aan Universiteit Utrecht. Dat klopt niet, ze is hoogleraar aan de Radboud Universiteit.