Amerikanske fysikere har i eksperimenter laget en hittil uobservert tilstand av vann: Ekstremt varm og kullsvart is som kan lede strøm.

Fysikerne har laget isen ved å presse en vanndråpe mellom to diamanter med en slags ambolt. Samtidig har de varmet opp vannet med en laserstråle – det endte opp med å være varmere enn solens overflate.

Dermed klarte de i det mikrosekund å oppnå den mystiske formen for is som ikke ligner på noen av de andre tilstandene man kjenner.

Isen er glovarm. Den er magnetisk, kan lede strøm og blir dannet under et ekstremt høyt trykk.

– Det er en veldig spennende studie, skriver Morten Bo Madsen, som er førsteamanuensis i astrofysikk ved Niels Bohr Institutet i København.

Isen finnes andre steder i universet

Isen som forskerne har laget, dannes under forhold som ikke finnes på jorden, men sannsynligvis andre steder i universet. For eksempel inne i gigantiske planeter som Neptun og Uranus.

– Vann er et ekstremt interessant stoff. Det har utrolig mange ulike krystallinske former, sier Anders Østergaard Madsen, som forsker på molekyler og krystallinske strukturer.

– Dypt inne i jorden, der trykket og temperaturen er ekstremt høy, finnes det for eksempel andre former av vann enn de vi kjenner på jordens overflate. I denne studien lager de en fase av is under enda høyere trykk og temperatur enn i jordens indre, forteller han.

I det amerikanske eksperimentet ble isen oppløst etter noen få mikrosekunder. Men det var nok til at forskerne kunne rekke å studere den og beskrive den i en studie som er publisert i tidsskriftet Nature Physics.

Forskerne rakk å studere isen

Bare en gang tidligere, som beskrevet i denne Nature-studien, har noen klart å lage isen som befinner seg i en tilstand som kalles superionisk fordi den inneholder ioner som er elektrisk ledende. Forrige gang brukte forskere sjokkbølger, som kan oppstå under en kraftig eksplosjon, til å lage det nødvendige trykket.

Men i eksperimentet med sjokkbølger ble isen oppløst etter bare 20 nanosekunder, og forskerne rakk ikke å studere den i detalj.

I den nye studien har forskerne brukt diamanter, som er det hardeste mineralet som er kjent, til å sette vannmolekylene under et trykk som er 3,5 millioner ganger høyere enn jordens atmosfæriske trykk.

De rakk å fotografere isens sammensetning med røntgenstråler fra en kraftig partikkelakselerator – en synkrotron – som står i Chicago.

21. tilstand av is

Isen med de spesielle egenskapene skiller seg fra alle andre tilstander av vann forskerne kjenner til fordi atomene i isen er strukturert på en spesiell måte.

Vann – enten det er damp, snø eller is – består av grunnstoffene hydrogen (hydrogen) og oksygen (oksygen).

I alle hittil kjente tilstander av vann er hydrogen- og oksygenatomene låst sammen som et gitter. Gitrene er stablet som legoklosser, og vannets form er avhengig av hvordan de er satt sammen.

Forskere kjenner fra før til 18 ulike is-tilstander der vannets atomgitter er stablet på ulikt vis.

I den nye studien har forskerne produsert en 19. tilstand av is som skiller seg fra alle andre: Hydrogenatomene sitter ikke sammen i et gitter, men beveger seg fritt rundt i isen.

– Oksygenatomene sitter sammen i en flott gitterstruktur, men hydrogenatomene begynner å farte rundt, sier Anders Østergaard Madsen.

– Forskerne kaller det en helt ny tilstand, men jeg er litt usikker på om de har rett. Det er ikke første gang vi ser slike krystallstrukturer. Her er det imidlertid helt ekstremt med veldig velordnede oksygenatomer og veldig uordnede hydrogenatomer, legger han til.

De frie hydrogenatomene blokkerer lyset slik at isen blir svart.

Superionisk is er spådd teoretisk

Allerede i 1988 spådde italienske forskere at superionisk is eksisterer. Senere har flere teoretiske fysikere utført beregninger som viser at isen kan dannes, forteller Madsen.

– I løpet av de siste tiårene har det kommet en masse studier der forskere har satt datamaskiner til å regne på hvordan vann vil oppføre seg ved ulike temperaturer og trykk, sier han.

– Det er folk som på den bakgrunnen har laget teorier om at det er andre faser enn de vi kjenner til, for eksempel superioniske faser.

I den glovarme, superioniske isen har hydrogenatomene avgitt de elektronene som vanligvis kretser rundt kjernen. Tilbake er protoner som hopper rundt mellom oksygenatomene.

De frie protonene i isen kalles også ioner. Ioner er elektrisk ledende og kan drive et magnetfelt.

Isen kan gi kunnskap om store planeter

Isen finnes kanskje under overflaten på planeter som Neptun og Uranus, eller under isen på Jupiters måne Europa, antar forskere.

Akkurat som jorden har de to store planetene og Europa nemlig magnetfelt, og forskerne mener feltene kan være drevet av superionisk is.

Jeppe Dyre, som er professor ved forskningssenteret Glas og Tid ved Roskilde Universitet, tror de amerikanske forskerne er inne på noe:

– At forskerne identifiserer en fase der hydrogenatomer opptrer som ioner, gjør plutselig denne fasen til en ionleder. Det vil si elektrisk ledende ved hjelp av ioner, akkurat som i et batteri, skriver Dyre i en e-post.

– Jeg er enig i at denne oppdagelsen kan være viktig for å forstå det indre av store planeter. Det kan være årsaken til at planetene har et magnetfelt, legger han til.

Jeppe Dyre påpeker at ionledere er et viktig emne for tiden:

– Ionledning har plutselig fått fornyet interesse på grunn all forskningen på batterier. Her er det ikke minst gode faste stoffer som ionledere man er på utkikk etter for å erstatte erstatning de flytende elektrolyttene vi bruker i dag, skriver han.

Referanser:

Vitali B. Prakapenka mfl.: Structure and properties of two superionic ice phases. Nature Physics, 2021. (Sammendrag) DOI: 10.1038/s41567-021-01351-8

Marius Millot mfl.: Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice. Nature, 2019. (Sammendrag) DOI: 10.1038/s41586-019-1114-6

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.