Natuurkunde Bevroren water heeft unieke eigenschappen: het drijft en is spekglad. Maar hoe kan dat? Op zoek naar het geheim van ijs.
Een man loopt op het Baikalmeer in Rusland.
„Oh kijk, nu gaat-ie!”, zegt Menno Demmenie enthousiast. Terwijl het buiten 13 graden is, turen wij in een laboratorium van de Universiteit van Amsterdam naar een laagje kraanwater dat plots in rap tempo bevriest. Demmenie had het water een paar minuten eerder geroutineerd aangebracht op een gekoeld koperen plaatje. Er steekt een dunne thermometer in en erboven hangt een microscoop. Deze opstelling gebruiken Demmenie en zijn collega’s om te bestuderen hoe water bevriest en hoe ijs zich gedraagt.
Bevroren water is een alledaags verschijnsel. Van de ijsklontjes in je vriezer tot de schaatsbaan en met een beetje geluk een stevige laag natuurijs op slootjes of een schitterend pak sneeuw tijdens de skivakantie. Hoewel bevroren water niet bepaald exotisch is, wordt er volop onderzoek naar gedaan, onder meer door postdoc-onderzoeker Demmenie in het Amsterdamse lab. IJs speelt namelijk een grote rol in ons leven. Niet alleen voor winterpret en koude drankjes, maar ook bij vriesschade aan vliegtuigen, windmolens, wegen en cultureel erfgoed. En het bevriezen van water in de atmosfeer is belangrijk voor de vorming van wolken en daarmee ons klimaat. Ook op een fundamenteel niveau is ijs interessant omdat het een aantal bijzondere eigenschappen heeft die we nog niet goed begrijpen.
Een van de bijzondere eigenschappen van ijs is dat het drijft op water. Het lijkt normaal dat ijsblokjes en ijsbergen dobberen, maar er zijn weinig andere materialen waarbij de vaste vorm een lagere dichtheid heeft dan de vloeibare vorm waardoor het op zichzelf kan drijven.
„Dat ijs op water drijft is een gelukkig toeval voor ons”, zegt Christoph Salzmann, hoogleraar scheikunde van University College London. „Als ijs zou zinken, dan zouden onze oceanen namelijk van beneden naar boven kunnen dichtvriezen, waardoor er misschien geen leven in had kunnen ontstaan. Doordat ijs drijft, kan het een beschermende, zelfisolerende laag vormen.”
„IJs drijft omdat watermoleculen tijdens het bevriezen een kristalstructuur vormen die minder compact is dan wanneer de moleculen rondbewegen in vloeibaar water”, vertelt Demmenie. Simpel gezegd bestaan watermoleculen uit twee waterstofatomen die als een soort Mickey Mouse-oren aan een zuurstofatoom vastzitten. Een waterstofatoom van een watermolecuul kan een zwakkere verbinding aangaan met een zuurstofatoom uit een ander molecuul. Die zogeheten waterstofbruggen zorgen ervoor dat moleculen in vloeibaar water een beetje bij elkaar in de buurt blijven. Zodra water bevriest zetten diezelfde waterstofbruggen de watermoleculen ertoe aan om een zeshoekige kristalstructuur te vormen. Die zeshoekige structuur bevat open ruimtes waardoor ijs meer ruimte inneemt dan water.
Overigens drijven niet alle vormen van waterijs. Zover we nu weten bestaan er zeker 21 verschillende ijskristalstructuren waarvan alleen degene die het meest voorkomt op aarde op vloeibaar water drijft.
In het Amsterdamse ijslab zien we ondertussen een andere bijzondere eigenschap van ijs: het vriespunt. Op school leer je dat water bevriest bij 0 graden Celsius. Maar dat ligt in werkelijkheid iets ingewikkelder. Terwijl we gespannen naar het microscoopbeeld keken, gaf de thermometer aan dat de temperatuur steeds verder zakte. Pas bij -5 graden begon de ijsvorming. „Vaak halen we met gewoon kraanwater zelfs makkelijk 8 of 10 graden onder nul voordat het bevriest”, vertelt Demmenie. „Zuiverder, gedemineraliseerd water blijft zelfs bij nog lagere temperaturen vloeibaar.” Een internationale onderzoeksgroep koelde in 2018 een druppeltje extreem zuiver water zelfs af tot ruim -40 graden Celsius.
„Vloeibaar water onder het vriespunt noemen we supergekoeld of onderkoeld”, vertelt Salzmann. „Het is relatief eenvoudig om water te onderkoelen. Je kunt het zelf maken door een flesje water in de vriezer te zetten.” Het is voor ijs namelijk lastig om te vormen zonder een nucleatiekiem, die het startpunt vormt voor de ijsgroei. Dat kan vervuiling in het water zijn, of een krasje in het flesje. Hoe minder onzuiverheden, hoe kouder het water kan worden zonder te bevriezen.
IJsvorming heeft dus een zetje nodig. Dat kan ook fysiek zijn. „Als je de onderkoelde fles water voorzichtig uit de vriezer haalt en op tafel slaat, zal het meteen beginnen met kristalliseren”, zegt Salzmann.
Hoog in de atmosfeer vind je ook onderkoeld water. „Veel wolken bevatten supergekoelde waterdruppeltjes omdat daar weinig is dat de ijsvorming in gang kan zetten”, zegt Salzmann. Die ijsvorming in de atmosfeer blijkt invloed te hebben op de levensduur van wolken en daarmee op ons klimaat. Regen was namelijk vaak ijs dat in hoge wolken ontstond en onderweg naar beneden is gesmolten. Als de superkoude druppeltjes kristalliseren tot ijs, dan regent de wolk dus uit waardoor hij verdwijnt. „Zonder deze wolken kan meer zonlicht de aarde bereiken waardoor het opwarmt”, zegt Salzmann. „Daarom willen we beter begrijpen waardoor supergekoeld water bevriest.”
Kleine deeltjes, zoals woestijnzand, kunnen die ijsvorming in gang zetten. „En wij onderzoeken ook de invloed van microplastic”, zegt Salzmann. Het onderzoek staat nog in de kinderschoenen, maar de eerste resultaten lijken erop te wijzen dat deze langlevende, door mensen gemaakte deeltjes inderdaad invloed kunnen hebben op ijsvorming.
Terug naar ons onderkoelde water in het Amsterdamse ijslab. Zodra daarin ijs begint te vormen, wijst Demmenie naar de thermometer. „Kijk, de temperatuur loopt nu op.” We zien de temperatuur tot bijna het nulpunt stijgen. „Dat is de stollingswarmte die vrijkomt bij de kristallisatie. Als de kristalstructuur gevormd is, koelt het weer af. Zo vormt geleidelijk het bulkijs. Die warmte kun je heel duidelijk zien ontsnappen. Dat vind ik echt fantastisch.”
Op de microscoopbeelden ziet het uiteindelijke ijsoppervlak er niet uit als een egale vlakte, maar meer als een tegelvloer. „We zien vlakken met daartussen duidelijke grenzen, of groeven”, zegt Demmenie. „Dat komt doordat de moleculen in de ijskristallen in elk vlak net een andere oriëntatie hebben, waardoor ze niet netjes op elkaar aansluiten. Die vlakken zijn continu in beweging. Als je over een paar uur kijkt, herken je het vlakkenpatroon niet meer terug. En als ik nu een kras zou maken in het ijs, dan is die over een paar uur helemaal verdwenen. Dat komt doordat de moleculen aan het oppervlak vrij los zitten en gemakkelijk kunnen bewegen waardoor ze de gaten opvullen.”
Een ijsoppervlak dat eruitziet als een tegelvloer.
Die bovenste laag watermoleculen is een hot topic onder ijsonderzoekers. Demmenie: „Afgelopen zomer was ik op een conferentie over ijskristallen waar het bijna de hele week hierover ging.” Dat heeft onder meer te maken met de vraag waarom ijs glad is – iets wat wetenschappers nog niet goed begrijpen. „IJs is namelijk echt ontzettend glad”, zegt Loes Heemskerk, promovendus bij de Universiteit van Amsterdam en onderzoeksinstituut Wetsus in Leeuwarden. „Er is minder wrijving dan tussen twee lagen teflon.”
Ruim anderhalve eeuw geleden dachten wetenschappers dat de gladheid van ijs komt doordat op het oppervlak een dun laagje water ligt dat dienstdoet als glijmiddel. Er ontstonden in de decennia daarna verschillende ideeën over hoe dat laagje water zou kunnen vormen. IJs is ver onder het vriespunt namelijk ook nog glad. Een veelgehoorde verklaring is dat het komt door de druk die je schoen of schaats uitoefent op het ijs. Daardoor zou het bovenste laagje ijs smelten. Maar de druk van een schoen, ski of zelfs een schaats lijkt niet genoeg om ijskoud ijs te doen smelten.
Een andere verklaring is dat de wrijving van een schaats of ski warmte produceert waardoor het ijs smelt. Maar als je op het ijs stapt, glij je meteen weg. Je hoeft niet eerst het ijs glad te wrijven. Inmiddels heerst het idee dat er niet echt een laagje water op het ijs ligt, maar dat de moleculen in de bovenste laag losser liggen dan in de rest van het ijs. Maar er is nog steeds discussie over hoe het precies zit met dit losse laagje.
De onderzoeksgroep van Daniel Bonn, hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam, waar ook Demmenie en Heemskerk werken, toonde een paar jaar geleden aan dat de bovenste laag van ijs zich niet gedraagt als vloeibaar water, maar meer als een dun gaslaagje dat los op een rigide ondergrond ligt. Het is daardoor beter te vergelijken met knikkers op een harde vloer – daar glij je ook bijzonder makkelijk over uit.
„Dat je dit effect bij andere materialen minder ziet dan bij ijs, heeft ook weer te maken met de waterstofbruggen die watermoleculen onderling kunnen vormen”, zegt Demmenie. „De waterstofbrugverbindingen in het ijs werken samen om zo een sterke, stevige kristalstructuur te vormen. Maar de watermoleculen in de toplaag hebben niet genoeg andere moleculen om zich heen om stevig vast te zitten. Daardoor liggen ze er losser op en bewegen bijna zonder moeite over het harde ijskristal eronder.”
De Amsterdamse onderzoeksgroep kwam tot dit knikkervloermodel door een aantal experimenten. „Ik keek bijvoorbeeld naar de manier waarop een kras in ijs zichzelf herstelt”, zegt Demmenie. „De snelheid waarmee dat gebeurt, kun je niet verklaren met vloeistofstromen. Het is wel te verklaren als je ervan uitgaat dat de moleculen over het oppervlak diffunderen, zoals een gas dat zou doen.” Op dit moment doet de onderzoeksgroep hier nog nauwkeuriger onderzoek naar door de beweging van toegevoegde fluorescerende moleculen over het ijsoppervlak te volgen.
Een andere manier om het ijsoppervlak te onderzoeken is met een opstelling met een metalen balletje dat over een laagje ijs wrijft om zo de wrijving te meten bij verschillende temperaturen. Door dat met simulaties te vergelijken kunnen onderzoekers iets zeggen over het gedrag van de bovenste ijslaag.
Dit experiment heeft ook toepassingen voor schaatsers. Daarvoor gebruikt Heemskerk het. „Hiermee is een paar jaar geleden bijvoorbeeld bevestigd door wetenschappers dat de optimale temperatuur, om met zo min mogelijk weerstand over het ijs te kunnen glijden, -7 graden Celsius is”, vertelt ze. „Dat wisten ijsmeesters wel al, door de feedback van de schaatsers en de tijden die gereden werden. Maar we begrijpen door het onderzoek wel beter waarom dat zo is. En we kunnen nu op zoek gaan naar de optimale temperatuur voor grip.”
Voor schaatsers is namelijk niet alleen het glijden belangrijk. Ze moeten ook kunnen afzetten om snelheid te maken. Daarvoor heb je juist wel weerstand en grip nodig. „We weten nog niet of de optimale temperatuur voor grip hetzelfde of anders is dan voor glijden. En misschien verschilt het per discipline en wil je voor sprinters een andere temperatuur dan bij lange afstanden”, zegt Heemskerk.
Ze kijkt hiervoor ook naar de watersamenstelling van het ijs. „Als je een snufje zout toevoegt, verlaag je de smelttemperatuur, waardoor je bij dezelfde temperatuur iets zachter ijs – en dus meer grip – hebt”, zegt ze. „Er zijn banen waar ze dat al doen. Schaatsers merken dat en vinden het fijn. Waarschijnlijk omdat ze meer grip hebben in de bochten. Maar we zijn nog aan het uitzoeken hoe dat precies werkt.”
Heemskerk doet haar onderzoek in samenwerking met het ijsstadion Thialf en zou haar bevindingen het liefst uittesten op een echte ijsbaan. „Maar we zitten nu in het seizoen van de Olympische Winterspelen, dus dat hebben ze liever niet”, zegt ze. „Daarom heb ik bij Wetsus in Leeuwarden een mini-ijsbaantje gemaakt van 120 bij 60 centimeter. Pas als ik daarop kan bewijzen dat iets werkt, willen ze het bij Thialf proberen.”
Zijn de onderzoekers zelf eigenlijk schaatsers? Heemskerk: „Ja, maar dat zeg ik niet als ik bij Thialf ben. Daar betekent dat iets heel anders.” Demmenie: „Ik schaats alleen als er natuurijs is.”
Vrijwel al het ijs op aarde is ijstype I – of ijs Ih, om precies te zijn. Maar als je water onder druk brengt, blijken er zeker twintig andere ijstypen te kunnen vormen, met verschillende kristalstructuren. „De watermoleculen zitten dan op een andere manier gerangschikt dan in de hexagonale structuur van ijs Ih”, zegt hoogleraar Christoph Salzmann, van University College London, die zelf ijs XIII, XIV en XV ontdekte. „Ik vergelijk het soms met grafiet en diamant. Dat zijn twee verschillende manieren waarop je koolstofatomen kunt rangschikken.”
Die exotische ijsvormen komen vrijwel niet voor op aarde. „Alleen ijs VII is in de natuur gevonden”, zegt Salzmann. „Onderzoekers ontdekten het in 2018 in diamanten. Die diamanten waren gevormd onder enorme druk in de aardkorst. Kennelijk was daar een klein beetje water aanwezig dat onder die hoge druk ijs VII vormde en in de diamanten gevangen was geraakt.”
Andere ijssoorten bestaan mogelijk wel elders in het heelal. Salzmann: „De ijsmanen van de planeet Jupiter hebben een kilometersdikke ijsschil met daaronder een oceaan die mogelijk meer dan honderd kilometer diep is. Dat levert veel druk. Het is daarom mogelijk dat de buitenste ijsschil bestaat uit ijs I, met daaronder de vloeibare oceaan en op de bodem een aantal lagen van andere ijssoorten.” Twee ruimtesondes die nu onderweg zijn naar deze ijsmanen, kunnen dit gaan onderzoeken.
Beautiful frost pattern on a window.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin
Source: NRC