Zulke ijsblokjes vind je niet in je vriezer.

Een internationaal team van wetenschappers heeft een nieuw record gevestigd voor het maken van ijskristallen met een bijna perfecte kubische rangschikking van watermoleculen - een vorm van ijs die mogelijk voorkomt in de koudste wolken op grote hoogte, maar die buitengewoon moeilijk te maken is op aarde.

De mogelijkheid om kubisch ijs in het laboratorium te maken en te bestuderen, zou computermodellen kunnen verbeteren van hoe wolken omgaan met zonlicht en de atmosfeer - twee sleutels tot het begrijpen van klimaatverandering, zei Barbara Wyslouzil, projectleider en hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan de Ohio State University.

Het zou ook ons ​​begrip van water kunnen vergroten - een van de belangrijkste moleculen voor het leven op onze planeet.

Gezien onder een microscoop, normaal waterijs - alles van bevroren vijvers, sneeuwen, tot het ijs dat we thuis maken - is gemaakt van kristallen met zeshoekige symmetrie, Wyslouzil legde het uit. Maar met slechts een kleine verandering in hoe de watermoleculen in ijs zijn gerangschikt, de kristallen kunnen een kubusvorm aannemen.

Tot dusver, onderzoekers hebben de aanwezigheid van koude kubieke ijswolken hoog boven het aardoppervlak gebruikt om interessante halo's rond de zon te verklaren, evenals de aanwezigheid van driehoekige ijskristallen in de atmosfeer. Wetenschappers hebben decennialang geworsteld om kubisch ijs te maken in het laboratorium, maar omdat de kubieke vorm onstabiel is, het dichtst bij iemand gekomen is om hybride kristallen te maken die ongeveer 70 procent kubiek zijn, 30 procent zeshoekig.

In een paper gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters , Wyslouzil, afgestudeerde onderzoeksmedewerker Andrew Amaya en hun medewerkers beschrijven hoe ze in staat waren om bevroren waterdruppels te creëren die bijna 80 procent kubiek waren.

"Hoewel 80 procent misschien niet 'bijna perfect' klinkt, ' de meeste onderzoekers geloven niet langer dat 100 procent puur kubisch ijs haalbaar is in het laboratorium of in de natuur, "zei ze. "Dus de vraag is, hoe kubiek kunnen we het maken met de huidige technologie? Eerdere experimenten en computersimulaties hebben ijs waargenomen dat ongeveer 75 procent kubiek is, maar dat hebben we overtroffen."

Om het zeer kubische ijs te maken, de onderzoekers trokken met supersonische snelheden stikstof en waterdamp door sproeiers. Toen het gas uitbreidde, het koelde af en vormde druppeltjes die honderdduizend keer kleiner waren dan de gemiddelde regendruppel. Deze druppels waren sterk onderkoeld, wat betekent dat ze vloeibaar waren ver onder de gebruikelijke vriestemperatuur van 32 graden Fahrenheit (0 graden Celsius). In feite, de druppeltjes bleven vloeibaar tot ongeveer -55 graden Fahrenheit (ongeveer -48 graden Celsius) en bevroor toen in ongeveer een miljoenste van een seconde.

Om de kubiek van het ijs gevormd in het mondstuk te meten, onderzoekers voerden röntgendiffractie-experimenten uit bij de Linac Coherent Light Source (LCLS) in het SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, CA. Daar, ze raakten de druppeltjes met de röntgenlaser met hoge intensiteit van LCLS en legden het diffractiepatroon vast op een röntgencamera. Ze zagen concentrische ringen bij golflengten en intensiteiten die aangaven dat de kristallen ongeveer 80 procent kubiek waren.

De extreem lage temperaturen en snelle bevriezing waren cruciaal voor de vorming van kubisch ijs, Wyslouzil zei:"Omdat druppels vloeibaar water in wolken op grote hoogte doorgaans onderkoeld zijn, er is een goede kans dat zich daar ijsblokjes vormen."

Precies waarom het mogelijk was om kristallen te maken met ongeveer 80 procent kubiek is momenteel onbekend. Maar, nogmaals, precies hoe water bevriest op moleculair niveau is ook onbekend.

"Als water langzaam bevriest, we kunnen ijs zien als opgebouwd uit watermoleculen zoals je een bakstenen muur bouwt, de ene steen op de andere, " zei Claudiu Stan, een onderzoeksmedewerker aan het Stanford PULSE Institute bij SLAC en partner in het project. "Maar bevriezen in wolken op grote hoogte gebeurt te snel om dat het geval te zijn - in plaats daarvan, bevriezing zou kunnen worden beschouwd als beginnend met een ongeordende stapel stenen die zich haastig herschikt om een ​​​​bakstenen muur te vormen, eventueel gebreken bevatten of een ongebruikelijke regeling hebben. Dit soort kristalproductieproces is zo snel en complex dat we geavanceerde apparatuur nodig hebben om te kunnen zien wat er gebeurt. Ons onderzoek wordt gemotiveerd door het idee dat we in de toekomst experimenten kunnen ontwikkelen waarmee we kristallen kunnen zien terwijl ze zich vormen."