Stanford-onderzoekers hebben voor het eerst het bevriezen van water vastgelegd, molecuul per molecuul, in een vreemde, dichte vorm genaamd ijs VII ("ijs zeven"), die van nature voorkomen in buitenaardse omgevingen, zoals wanneer ijzige planetaire lichamen botsen.

Naast het helpen van wetenschappers om die afgelegen werelden beter te begrijpen, de bevindingen - online gepubliceerd op 11 juli in Fysieke beoordelingsbrieven - zou kunnen onthullen hoe water en andere stoffen overgangen ondergaan van vloeistoffen naar vaste stoffen. Leren om die overgangen te manipuleren, zou op een dag de weg kunnen openen naar technische materialen met exotische nieuwe eigenschappen.

"Deze experimenten met water zijn de eerste in hun soort, waardoor we getuige kunnen zijn van een fundamentele overgang van wanorde naar orde in een van de meest voorkomende moleculen in het universum, " zei hoofdauteur Arianna Gleason, een postdoctoraal onderzoeker aan het Los Alamos National Laboratory en een gastwetenschapper in het Extreme Environments Laboratory van Stanford's School of Earth, Energie &Milieuwetenschappen.

Wetenschappers hebben lang bestudeerd hoe materialen faseveranderingen ondergaan tussen gas, vloeibare en vaste toestanden. Faseveranderingen kunnen snel gebeuren, echter, en op de kleine schaal van louter atomen. Eerder onderzoek had moeite om de moment-tot-moment-actie van faseovergangen vast te leggen, en werkte in plaats daarvan achteruit vanuit stabiele vaste stoffen bij het samenstellen van de moleculaire stappen die door voorgaande vloeistoffen werden genomen.

"Er is enorm veel onderzoek gedaan naar ijs omdat iedereen zijn gedrag wil begrijpen. " zei senior auteur Wendy Mao, een universitair hoofddocent geologische wetenschappen en een hoofdonderzoeker van het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Wat onze nieuwe studie laat zien, en wat nog niet eerder is gedaan, is het vermogen om de vorm van de ijsstructuur in realtime te zien."

IJs vangen op heterdaad

Die tijdschalen werden haalbaar dankzij de Linac Coherent Light Source, 's werelds krachtigste röntgenlaser in het nabijgelegen SLAC National Accelerator Laboratory. Daar, het wetenschappelijke team straalde een intense, groengekleurde laser op een klein doel met een monster van vloeibaar water. De laser verdampte onmiddellijk lagen diamant aan één kant van het doel, het genereren van een raketachtige kracht die het water samenperst tot een druk van meer dan 50, 000 keer die van de aardatmosfeer op zeeniveau.

Naarmate het water verdicht, een afzonderlijke straal van een instrument genaamd de X-ray Free Electron Laser arriveerde in een reeks heldere pulsen slechts een femtoseconde, of een quadriljoenste van een seconde, lang. Vergelijkbaar met cameraflitsen, deze stroberende röntgenlaser maakte een reeks beelden die de voortgang van moleculaire veranderingen onthulden, flip boek-stijl, terwijl het water onder druk kristalliseerde tot ijs VII. De faseverandering duurde slechts 6 miljardste van een seconde, of nanoseconden. Verrassend genoeg, tijdens dit proces, de watermoleculen gebonden in staafvormen, en niet bollen zoals de theorie voorspelde.

Het platform dat voor deze studie is ontwikkeld - een combinatie van hoge druk met momentopnames - kan onderzoekers helpen de talloze manieren te onderzoeken waarop water bevriest, afhankelijk van druk en temperatuur. Onder de omstandigheden op het oppervlak van onze planeet, water kristalliseert maar op één manier, genaamd ijs Ih ("ice one-H") of gewoon "hexagonaal ijs, " of het nu in gletsjers of ijsblokjestrays in de vriezer is.

Duiken in buitenaardse ijssoorten, inclusief ijs VII, zal wetenschappers helpen bij het modelleren van afgelegen omgevingen als komeetinslagen, de interne structuren van potentieel levensondersteunende, met water gevulde manen zoals Jupiter's Europa, en de dynamiek van jumbo, rotsachtig, oceanische exoplaneten die superaarde worden genoemd.

"Elke ijzige satelliet of planetair interieur is nauw verbonden met het oppervlak van het object, "Zei Gleason. "Als we meer te weten komen over deze ijzige interieurs, zullen we begrijpen hoe de werelden in ons zonnestelsel zijn gevormd en hoe ten minste één van hen, voor zover wij weten, kreeg alle noodzakelijke kenmerken voor het leven."