Ieder kind weet dat water tot ijs bevriest als het ijskoud wordt. Voor water gebeurt dit normaal gesproken onder 0°C, de smelttemperatuur van water. Dit is een vast punt op de temperatuurschaal van Celsius die we gebruiken.

De overgang van de vloeibare naar de vaste fase is echter een zeer complex proces en moeilijk experimenteel op atomair niveau te bestuderen. Eén reden hiervoor is dat kristallen willekeurig worden gevormd:je weet niet precies wanneer en waar dit zal gebeuren.

Bovendien kan een vloeistof lange tijd in een metastabiele toestand blijven:hij blijft vloeibaar, ook al zou hij eigenlijk moeten bevriezen en vast worden. Dit maakt het buitengewoon moeilijk om het juiste moment voor de vorming van een kristal te bepalen en de groei ervan te volgen.

Deze effecten zijn echter zeer relevant van aard. Ze spelen bijvoorbeeld een beslissende rol bij de vorming van ijs in wolken of bij processen in de aarde.

Met behulp van de intense röntgenflitsen van de röntgenvrije-elektronenlaser van de Europese XFEL is een internationaal team van onderzoekers van de Europese XFEL in Schenefeld bij Hamburg er nu in geslaagd de kiemvorming van onderkoelde vloeistoffen nauwkeurig te meten. De experimenten vonden plaats in een vacuüm, zodat het röntgenlicht geen interactie heeft met de moleculen in de lucht, wat de experimenten zou verstoren.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Vanwege de complexiteit is water echter een van de moeilijkste vloeistoffen om te modelleren. Om die reden gebruikten de onderzoekers in hun experimenten in plaats daarvan argon en krypton in vloeibare vorm. In feite zijn onderkoelde edelgasvloeistoffen de enige systemen waarvoor momenteel betrouwbare theoretische voorspellingen kunnen worden gedaan.

De onderzoekers onderzochten expliciet de zogenaamde kristalnucleatiesnelheid J(T). Dit is een maatstaf voor de waarschijnlijkheid dat zich binnen een bepaalde tijd een kristal in een bepaald volume zal vormen. De snelheid waarmee dit gebeurt is bijvoorbeeld een belangrijke parameter om echte processen wiskundig te kunnen beschrijven in modellen, bijvoorbeeld bij weersvoorspellingen of in klimaatmodellen.

Omdat het zo moeilijk is om echte kristalvorming te meten, worden vaak simulaties gebruikt. Deze gaan echter gepaard met grote onzekerheden. De voor water gesimuleerde kiemvormingssnelheden kunnen bijvoorbeeld verschillende ordes van grootte afwijken van de experimenteel gemeten snelheden, wat de modellering onnauwkeurig maakt.

Voor dit soort onderzoek is de röntgenlaser van het Europese XFEL ideaal:met behulp van intense röntgenflitsen kunnen onderzoekers de zeer snelle veranderingen in de ontwikkeling van kristallisatie onderzoeken.

Het team koos voor hun experimenten het MID-instrument (MID =Materials Imaging and Dynamics). Ze bombardeerden de vloeistofstralen met röntgenpulsen met een energie van 9,7 kilo-elektronvolt (keV). Elke röntgenpuls duurde minder dan 25 femtoseconden:één femtoseconde komt overeen met een biljardste van een seconde. Ter illustratie:licht reist in deze tijd minder dan een millimeter.

De onderzoekers richtten het intense röntgenlicht op de vloeistofstraal, die slechts 3,5 micrometer dun was, en concentreerden deze op een oppervlak met een diameter van minder dan één micrometer. In totaal heeft het team enkele miljoenen diffractiebeelden opgenomen om over voldoende statistieken te beschikken en de snelheid van kristalvorming met voldoende nauwkeurigheid te bepalen.

Volgens hun resultaten zijn de kristalnucleatiesnelheden veel kleiner dan voorspeld op basis van simulaties en de klassieke theorie.

"De studie belooft ons begrip van kristallisatie aanzienlijk uit te breiden", zegt Johannes Möller van het MID-instrument van de Europese XFEL. "De resultaten laten zien dat de veelgebruikte klassieke theorie over de vorming van kristallen uit de vloeibare fase aanzienlijk afwijkt van de werkelijkheid."

"We verwachten dat onze aanpak het voor het eerst mogelijk zal maken om verschillende uitbreidingen van de klassieke theorie voor het voorspellen van kristallisatie te testen", voegt Robert Grisenti van GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, de senior auteur van de studie, toe. "Onze bevindingen zullen theoretici helpen hun modellen in de toekomst te verfijnen."