Wetenschappers voorspelden een nieuwe fase van superionisch ijs, een speciale vorm van ijs die op Uranus zou kunnen bestaan, Neptunus, en exoplaneten. Dit nieuwe type ijs, P21/c-SI-fase genoemd, treedt op bij drukken die groter zijn dan die in de gigantische ijsplaneten van ons zonnestelsel. Het Princeton University-team deed deze ontdekking met behulp van middelen van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

De theoretische simulaties uitgevoerd bij NERSC lieten het team toestanden van superionisch ijs modelleren die moeilijk experimenteel te bestuderen zouden zijn. Ze simuleerden drukken boven de hoogst mogelijke drukken die momenteel in het laboratorium haalbaar zijn. De simulaties voorspellen specifieke kenmerken voor dit nieuwe type ijs, die kunnen worden gebruikt als handtekeningen van superionisch ijs. De handtekening zou ooit door planetaire wetenschappers kunnen worden gebruikt om superionisch ijs in ons zonnestelsel of daarbuiten te observeren.

Mogelijk verblijvend op ijsrijke planeten in ons zonnestelsel en daarbuiten, superionisch ijs is een exotisch type ijs dat bestaat bij hoge temperatuur en hoge druk. In superionisch ijs, de watermoleculen dissociëren in geladen atomen (ionen), met de zuurstofionen opgesloten in een vast rooster. De onderzoekers van Princeton University hebben een uitgebreide studie uitgevoerd naar de verschillende fasen die superionisch ijs kan ondergaan, kijken hoe het zuurstofrooster veranderde en de vloeibare waterstof bewoog. Ze berekenden de ionische geleidbaarheid en waterstofdiffusie van elke fase. Ze ontdekten dat de ionische geleidbaarheid dramatisch toeneemt wanneer het ijs verandert van de vaste fase naar de superionische fase.

De verandering van geleidbaarheid is geleidelijk of abrupt, afhankelijk van de superionische fase. Abrupte en geleidelijke veranderingen van geleidbaarheid worden ook waargenomen in materialen die superionisch kunnen zijn bij atmosferische druk. Bijvoorbeeld, een abrupte verandering van geleidbaarheid wordt waargenomen in zilverjodide (AgI) terwijl een geleidelijke verandering van geleidbaarheid wordt waargenomen in looddisulfide (PbS2). Het ongebruikelijke aan superionisch ijs is dat deze twee soorten geleidbaarheidsveranderingen worden waargenomen in hetzelfde materiaal onder verschillende thermodynamische omstandigheden. De onderzoekers van Princeton University simuleerden wat er zou gebeuren als de superionische vorm onder extreme druk zou komen te staan, van 280 GPa tot 1.3 TPa. Ze ontdekten dat het ijs concurrerende fasen heeft binnen een dicht opeengepakt zuurstofrooster. Naarmate de druk stijgt, de dicht opeengepakte structuur wordt onstabiel. Het rooster verandert in een nieuwe ongebruikelijke fase, die wordt geassocieerd met een geleidelijke verandering in ionische geleidbaarheid. Het team ontdekte ook dat de hogere druk de temperatuur verlaagt die nodig is om het ijs over te laten gaan naar superionische fasen.