IJs in de ruimte is anders dan de kristallijne (sterk geordende) vorm van ijs op aarde. Decennialang hebben wetenschappers aangenomen dat het amorf is (zonder structuur), waarbij koudere temperaturen betekenen dat het niet genoeg energie heeft om kristallen te vormen als het bevriest. In de nieuwe studie, gepubliceerd in Physical Review B, onderzochten onderzoekers de meest voorkomende vorm van ijs in het heelal, amorf ijs met een lage dichtheid, dat als bulkmateriaal voorkomt in kometen, op ijzige manen en in stofwolken waar sterren en planeten ontstaan.
Ze ontdekten dat computersimulaties van dit ijs het beste overeenkwamen met metingen uit eerdere experimenten als het ijs niet volledig amorf was, maar minuscule kristallen bevatte (ongeveer drie nanometer breed, iets breder dan een enkele DNA-streng) die ingebed waren in de ongeordende structuren. In experimenteel werk herkristalliseerden (d.w.z. verwarmden) ze ook echte monsters van amorf ijs dat op verschillende manieren was gevormd. Ze ontdekten dat de uiteindelijke kristalstructuur afhing van hoe het amorfe ijs was ontstaan. Als het ijs volledig amorf (volledig ongeordend) was geweest, concludeerden de onderzoekers, dan zou het geen enkele afdruk van zijn vroegere vorm behouden.
“Ruimte-ijs” bevat kleine kristallen en is niet, zoals eerder werd aangenomen, een volledig ongeordend materiaal zoals vloeibaar water, zo blijkt uit een nieuwe studie van wetenschappers van de UCL en de Universiteit van Cambridge. Jupiters ijzige maan Ganymedes IJs in de ruimte is anders dan de kristallijne (sterk geordende) vorm van ijs op aarde. Decennialang hebben wetenschappers aangenomen dat het amorf is (zonder structuur), waarbij koudere temperaturen betekenen dat het niet genoeg energie heeft om kristallen te vormen als het bevriest.
In de nieuwe studie, gepubliceerd in Physical Review B, onderzochten onderzoekers de meest voorkomende vorm van ijs in het heelal, amorf ijs met een lage dichtheid, dat als bulkmateriaal voorkomt in kometen, op ijzige manen en in stofwolken waar sterren en planeten ontstaan. Ze ontdekten dat computersimulaties van dit ijs het beste overeenkwamen met metingen uit eerdere experimenten als het ijs niet volledig amorf was, maar minuscule kristallen bevatte (ongeveer drie nanometer breed, iets breder dan een enkele DNA-streng) die ingebed waren in de ongeordende structuren.
In experimenteel werk herkristalliseerden (d.w.z. verwarmden) ze ook echte monsters van amorf ijs dat op verschillende manieren was gevormd. Ze ontdekten dat de uiteindelijke kristalstructuur afhing van hoe het amorfe ijs was ontstaan. Als het ijs volledig amorf (volledig ongeordend) was geweest, concludeerden de onderzoekers, dan zou het geen enkele afdruk van zijn vroegere vorm behouden. Hoofdauteur Dr. Michael B. Davies, die het werk deed als onderdeel van zijn PhD aan de UCL Physics & Astronomy en de University of Cambridge, zei: "We hebben nu een goed idee van hoe de meest voorkomende vorm van ijs in het heelal er op atomair niveau uitziet.
“Dit is belangrijk omdat ijs betrokken is bij veel kosmologische processen, bijvoorbeeld bij de vorming van planeten, de evolutie van sterrenstelsels en de verplaatsing van materie door het heelal.” De bevindingen hebben ook gevolgen voor een speculatieve theorie over hoe het leven op aarde is begonnen. Volgens deze theorie, die bekend staat als Panspermia, werden de bouwstenen van het leven hierheen vervoerd op een ijskomeet, waarbij amorf ijs met een lage dichtheid het ruimteveer-materiaal was waarin ingrediënten zoals eenvoudige aminozuren werden vervoerd. Dr. Davies zei: "Onze bevindingen suggereren dat dit ijs een minder goed transportmateriaal zou zijn voor deze moleculen uit de oorsprong van het leven. Dat komt omdat een gedeeltelijk kristallijne structuur minder ruimte heeft waarin deze ingrediënten ingebed kunnen raken.
“De theorie zou echter nog steeds kunnen kloppen, omdat er amorfe gebieden in het ijs zijn waar de bouwstenen van het leven zouden kunnen worden opgesloten en bewaard.” Co-auteur professor Christoph Salzmann van UCL Chemistry zei: "IJs op aarde is een kosmologische curiositeit vanwege onze warme temperaturen. Je kunt de geordende aard ervan zien in de symmetrie van een sneeuwvlok. "IJs in de rest van het heelal is lang beschouwd als een momentopname van vloeibaar water - dat wil zeggen, een ongeordende ordening die op zijn plaats is gefixeerd. Onze bevindingen laten zien dat dit niet helemaal waar is. "Onze resultaten roepen ook vragen op over amorfe materialen in het algemeen. Deze materialen hebben belangrijke toepassingen in veel geavanceerde technologie. Glasvezels bijvoorbeeld, die gegevens over lange afstanden transporteren, moeten amorf of ongeordend zijn voor hun functie. Als ze kleine kristallen bevatten en we die kunnen verwijderen, zal dat hun prestaties verbeteren."
Voor het onderzoek gebruikten de onderzoekers twee computermodellen van water. Ze bevroren deze virtuele “dozen” met watermoleculen door ze met verschillende snelheden af te koelen tot -120 graden Celsius. De verschillende afkoelsnelheden leidden tot verschillende verhoudingen kristallijn en amorf ijs. Ze ontdekten dat ijs dat tot 20% kristallijn (en 80% amorf) was, goed overeenkwam met de structuur van amorf ijs met een lage dichtheid, zoals gevonden in röntgendiffractiestudies (waarbij onderzoekers röntgenstralen op het ijs afvuren en analyseren hoe deze stralen worden afgebogen). Met een andere aanpak creëerden ze grote “dozen” met veel kleine ijskristallen die dicht op elkaar geperst zaten. De simulatie wanorde vervolgens de gebieden tussen de ijskristallen bereiken zeer vergelijkbare structuren in vergelijking met de eerste aanpak met 25% kristallijn ijs. In aanvullend experimenteel werk creëerde het onderzoeksteam echte monsters van amorf ijs met een lage dichtheid op verschillende manieren, van het afzetten van waterdamp op een extreem koud oppervlak (hoe ijs zich vormt op stofkorrels in interstellaire wolken) tot het opwarmen van wat bekend staat als amorf ijs met een hoge dichtheid (ijs dat bij extreem lage temperaturen is vermalen).
Het team verhitte deze amorfe ijsjes vervolgens voorzichtig zodat ze de energie hadden om kristallen te vormen. Ze merkten verschillen op in de structuur van het ijs, afhankelijk van hun oorsprong - er was met name variatie in de verhouding van moleculen die in een zesvoudige (hexagonale) rangschikking waren gestapeld. Dit was indirect bewijs, zeiden ze, dat amorf ijs met een lage dichtheid kristallen bevatte. Als het volledig ongeordend was, concludeerden ze, zou het ijs geen enkele herinnering bewaren aan zijn vroegere vormen. Het onderzoeksteam zei dat hun bevindingen veel extra vragen opriepen over de aard van amorf ijs - bijvoorbeeld of de grootte van de kristallen varieerde afhankelijk van hoe het amorfe ijs zich vormde en of echt amorf ijs mogelijk was. Amorf ijs met een lage dichtheid werd voor het eerst ontdekt in de jaren 1930 toen wetenschappers waterdamp lieten condenseren op een metalen oppervlak dat was afgekoeld tot -110 graden Celsius. De hoge dichtheid werd ontdekt in de jaren 1980 toen gewoon ijs werd samengeperst tot bijna -200 graden Celsius.
Het onderzoeksteam achter het laatste artikel, dat gevestigd is aan de UCL en de Universiteit van Cambridge, ontdekte amorf ijs met een gemiddelde dichtheid in 2023. Dit ijs bleek dezelfde dichtheid te hebben als vloeibaar water (en zou daarom niet zinken of drijven in water). Co-auteur professor Angelos Michaelides van de Universiteit van Cambridge zei: "Water is de basis van het leven, maar we begrijpen het nog steeds niet volledig. Amorf ijs kan de sleutel zijn tot het verklaren van enkele van de vele anomalieën van water." Dr. Davies zei: "IJs is potentieel een hoogwaardig materiaal in de ruimte. Het kan ruimteschepen beschermen tegen straling of brandstof leveren in de vorm van waterstof en zuurstof. We moeten dus meer weten over de verschillende vormen en eigenschappen ervan."
Bron: UCL
