Water heeft veel ijsfasen die zich vormen onder verschillende druk- en temperatuuromstandigheden. De effecten van positieve druk zijn uitgebreid onderzocht, met de resultaten enigszins voorspelbaar:naarmate de druk toeneemt, hetzelfde geldt voor de dichtheid van het ijs.

Er is veel minder bekend, echter, over de effecten van extreme negatieve druk op watermoleculen. Het verkennen van een significant gebied met negatieve druk door middel van moleculaire dynamische simulaties, onderzoekers hebben nu theoretisch een nieuwe familie van ijsfasen ontdekt. Aeroices genoemd, deze ijssoorten hebben de laagste dichtheid van alle bekende ijskristallen. De onderzoekers, van de Okayama Universiteit in Japan, rapporteren hun bevindingen deze week in The Journal of Chemical Physics .

"Ons onderzoek, die voor het eerst een volledig onderdrukgebied overziet, biedt een belangrijke opstap bij het verkennen van dit uitgestrekte en ingewikkelde gebied op het fasediagram, " zei Masakazu Matsumoto, universitair hoofddocent aan het Research Institute for Interdisciplinary Science aan de Okayama University en een co-auteur van het artikel. "IJs met een lagere dichtheid dan normaal ijs blijkt ook veelvoudig [van vele soorten] te zijn."

De ontdekking zal naar verwachting het begrip van de fundamentele eigenschappen en het gedrag van water in nanobuisjes en andere nanoporiën versnellen, evenals in biomoleculen.

Zeventien ijsfasen zijn experimenteel gevonden, elk genummerd in de volgorde van ontdekking. Slechts twee ijssoorten hebben een lagere dichtheid dan normaal ijs.

In 2014, een onderzoeksteam ontdekte een ijsfase die zich onder negatieve druk vormt:ijs XVI. De moleculen van het ijs vormen een zeolietstructuur, een 3D-kristallen kooi, waarin gastmoleculen of atomen binnenin opgesloten zitten. De gastmoleculen (in dit geval neondeeltjes) werden verwijderd, resulterend in een stabiele, ultralage dichtheid ijs bij hoge negatieve druk. Met behulp van een vergelijkbare techniek, een andere groep onderzoekers ontdekte ijs XVII in 2016.

De onderzoekers van Okayama University brachten alle mogelijke ijsfasen in kaart die mogelijk nog moeten worden onderzocht in het negatieve drukgebied. Wetende dat de structuur van silica (SiO2) en ijs gebruikelijk is, ze haalden 200 silicazeolieten uit de Zeoliet Database, die wordt beheerd door de International Zeoliet Association. In totaal werden meer dan 300 structuren geëvalueerd.

De onderzoekers herschikten de atomen in de SiO2-structuur, het verwijderen van de twee zuurstofatomen en het vervangen van het siliciumatoom in elk molecuul door één zuurstofatoom. Vervolgens, de waterstofatomen werden toegevoegd zodat de structuur de ijsregel gehoorzaamde.

In het dichtheidsbereik dat slechts ongeveer de helft is van dat van vloeibaar water (~0,5 g/cm^3), de onderzoekers toonden aan dat de nieuw ontdekte ijsfase stabieler is dan enig tot nu toe onderzocht zeolietijs. De onderzoekers simuleerden zelfs minder dichte ijsstructuren - tussen 0 en 0,5 gram per kubieke centimeter - door polyedrische bouwstenen toe te voegen aan de zeolitische raamwerken om de structuur schaarser te maken en tegelijkertijd te voldoen aan de structurele regel voor ijs.

"Deze nieuwe structuren zijn de aeroices, " zei Matsumoto, "en ze kunnen stabieler zijn dan enig zeolietijs bij bepaalde thermodynamische omstandigheden onder negatieve druk."