Water is maar een heel eenvoudig molecuul met twee waterstofatomen en een zuurstofatoom: H₂O.
Bij extreme druk en temperatuur wordt water superionisch; een vaste stof die zich gedeeltelijk als een vloeistof gedraagt ​​en elektriciteit geleidt. Het idee is dat deze op aarde ongebruikelijke vorm de magneetvelden van Uranus en Neptunus beïnvloedt en mogelijk de meest voorkomende vorm van water in ons zonnestelsel is. Nieuwe, zeer nauwkeurige experimenten tonen aan dat de atoomstructuur veel complexer is dan verwacht, met verschillende kristalpatronen in plaats van één kristalstructuur. Deze ontdekking herschrijft modellen van ijsplaneten, stellen de onderzoekers.
Wanneer water wordt blootgesteld aan temperaturen van enkele duizenden °C en drukken die oplopen tot miljoenen atmosferen, gaat het zich eigenaardig gedragen. Onder die omstandigheden komt water in een toestand terecht die bekend staat als superionisch. Dan vormen de zuurstofatomen een star, vast raamwerk, terwijl waterstofionen zich vrij door de structuur bewegen (vandaar die geleiding).
Deze ongewone fase van water geleidt elektriciteit uitzonderlijk goed, waardoor het een sterke kandidaat is voor de verklaring van de vreemde magneetvelden die rond ijsreuzen zijn waargenomen.
Wetenschappers vermoeden dat Uranus en Neptunus enorme hoeveelheden water diep in hun binnenste bevatten, wat betekent dat superionisch water de dominante vorm van water zou kunnen zijn in een groot deel van het zonnestelsel en wellicht ook daarbuiten.

Al eerder zijn onderzoekers er in geslaagd om superionisch water te maken in het lab, maar de interne structuur was niet bekend. Ander onderzoek suggereerde dat zuurstofatomen zich in een van twee eenvoudige kubische patronen zouden kunnen rangschikken. Dit omvatte een lichaamsgecentreerde kubische structuur (dobbelsteen), waarbij een extra atoom zich in het midden van de kubus bevindt, of een vlakgecentreerde kubische structuur, waarbij atomen de centra van elk vlak bezetten.

Ingewikkelder

De nieuwe studie onthult dat de werkelijkheid veel ingewikkelder is. In plaats van een enkel ordelijk patroon te vormen, vormen de zuurstofatomen zich tot een gemengde structuur die vlakgecentreerde kubische gebieden combineert met hexagonale (zeshoekige) dichtgepakte lagen. Een beetje een rommeltje, dus.
In de zeshoekige gebieden stapelen de atomen zich strak op in herhalende zeshoeken. Wanneer deze gebieden samensmelten met kubische gedeelten wordt het (dus) chaos. In plaats van een schoon, herhalend rooster vormen de atomen een hybride en onregelmatige structuur die alleen kan worden waargenomen met behulp van extreem precieze (laser)meettechnieken.

Om deze details te zien, voerden onderzoekers twee afzonderlijke experimenten uit. Een van de experimenten werd uitgevoerd met het MEC-instrument in de de Linac-lichtbron bij de Stanforduniversiteit in de VS en het andere met het HED-HIBEF-instrument bij XFEL in Europa. Deze apparatuur stelde wetenschappers in staat water samen te persen tot drukken van meer dan 1,5 miljoen atmosfeer en het te verhitten tot enkele duizenden °C, terwijl ze tegelijkertijd momentopnamen van de atoomstructuur vastlegden binnen triljoensten van een seconde. Kortom: van dik hout zaagt men planken.

Verschillende kristalstructuren

De gevonden resultaten zouden goed overeenkomen met de meest geavanceerde computersimulaties en tonen aan dat superionisch water verschillende structuren kan aannemen, net als gewoon ijs, waarvan bekend is dat dat in veel verschillende kristalfasen voorkomt, afhankelijk van temperatuur en druk (maar niet onder aardse omstandigheden; as).
Het onderzoek versterkt het idee dat dat ‘simpele’ water onder extreme omstandigheden opmerkelijk gedrag kan vertonen. Deze resultaten helpen ook bij het verfijnen van modellen van de interne structuur en de evolutie op lange termijn van ijsreuzen, waarvan wordt aangenomen dat ze veelvuldig voorkomen in het heelal.

Bron: Science Daily