Første gang studeret i detaljer: Glohed og superionisk is

Amerikanske fysikere har i eksperimenter fremstillet en hidtil uobserveret tilstand af vand: Ekstremt varm og kulsort is, der kan lede elektricitet.

Fysikerne har lavet isen ved at presse en vanddråbe mellem to diamanter med en slags ambolt. Samtidig har de opvarmet vandet med en laserstråle varmere end Solens overflade.

På den måde er det lykkedes dem i mikrosekunder at opnå den mystiske form for is, der ikke ligner nogle af de øvrige tilstande af vand, man kender.

Isen er ikke kold, men glohed. Den er magnetisk, kan lede elektricitet og bliver dannet under et ekstremt højt tryk.

»Det er et meget, meget spændende studie, der, så vidt jeg kan bedømme, er af fundamental videnskabelig interesse,« skriver Morten Bo Madsen, der er lektor i astrofysik på Niels Bohr Institutet i København, i en mail til Videnskab.dk, efter at han har læst den videnskabelige artikel.

Isen findes andre steder i universet

Isen, som forskerne har fremstillet, dannes under forhold, der ikke findes på Jorden, men sandsynligvis andre steder i universet. Det kunne eksempelvis være inden i gigantiske planeter som Neptun og Uranus.

»Vand er et ekstremt interessant stof, som kan nogle ting, andre stoffer ikke kan. Det har utrolig mange forskellige krystallinske former,« siger Anders Østergaard Madsen, der forsker i molekyler og krystallinske strukturer, til Videnskab.dk, efter at han har læst studiet.

»Dybt inde i Jorden, hvor trykket og temperaturen er ekstremt høj, findes der for eksempel andre former af vand, end dem vi kender på Jordens overflade. I det her studie laver de en fase af is under endnu højere tryk og temperatur end i Jordens indre,« tilføjer forskeren, der er lektor på Københavns Universitets Sundhedsvidenskabelige Institut SUND.

I det amerikanske eksperiment blev isen opløst efter få mikrosekunder. Men det var nok til, at forskerne kunne nå at studere den og beskrive den i et studie, der er publiceret i Nature Physics.

Forskerne nåede at studere isen

Kun en gang tidligere er det lykkedes at fremstille isen, som befinder sig i en tilstand, der kaldes superionisk, fordi den indeholder ioner, som er elektrisk ledende. Sidste gang brugte forskere chokbølger, som dem, der kan opstå under en kraftig eksplosion, til at lave det nødvendige tryk.

Men i eksperimentet med chokbølger blev isen opløst efter kun 20 nanosekunder, og forskerne kunne ikke nå at studere den i detaljer.

I det nye studie har forskerne brugt diamanter, som er det hårdeste mineral, der kendes, til at sætte vandmolekylerne under et tryk, der er 3,5 millioner gange højere end Jordens atmosfæriske tryk.

De nåede at affotografere isens sammensætning med røntgenstråler fra en kraftig partikelaccelerator – en synchrotron – der står i Chicago.

21. tilstand af is

Isen med de specielle egenskaber adskiller sig fra alle andre tilstande af vand, forskerne kender til, fordi atomerne i isen er struktureret på en særlig måde.

Vand, damp, sne og is består af grundstofferne brint (hydrogen) og ilt (oxygen).

I alle hidtil kendte tilstande af vand er brint- og iltatomerne låst sammen som gitre. Gitrene er stablet som legoklodser, og vandets form afhænger af, hvordan de er sat sammen.

Forskere kender i forvejen til 18 forskellige is-tilstande, hvor vandets atom-gitre er stablet på forskellig vis.

I det nye studie har forskerne fremstillet en 19. tilstand af is, der adskiller sig fra alle de øvrige kendte, ved at brintatomerne ikke sidder sammen i et gitter, men bevæger sig frit rundt i isen.

»Oxygen-atomerne sidder sammen i en flot gitterstruktur, men hydrogenatomerne begynder at fise rundt mellem hinanden i en tilstand, hvor de kan være flere steder på en gang,« siger Anders Østergaard Madsen.

»Forskerne kalder det en helt ny materiel tilstand, men jeg er lidt usikker på, om de har ret. Det er ikke første gang, vi ser krystalstrukturer, hvor der er uorden i atomerne. Her er det dog helt ekstremt med meget velordnede oxygenatomer og meget uordnede hydrogenatomer,« tilføjer han.

De frie brintatomer blokerer lyset, så isen kommer til at fremstå sort.

Superionisk is er forudset teoretisk

Allerede i 1988 forudså italienske forskere, at superionisk is eksisterer. Siden har flere teoretiske fysikere lavet beregninger, der viser, at isen kan dannes, fortæller Anders Østergaard Madsen.

»I løbet af de seneste årtier er der kommet en masse studier, hvor forskere har sat computere til at regne på, hvordan vand vil opføre sig ved forskellige temperaturer og tryk,« siger han og fortsætter:

»Der er folk, som på den baggrund har lavet teorier om, at der er andre faser, end dem vi kender til, for eksempel superioniske faser.«

I den glohede, superioniske is har brintatomerne afgivet de elektroner, som normalt kredser omkring kernen. Tilbage er protoner, der hopper rundt mellem iltatomerne.

De frie protoner i isen kaldes også ioner. Ioner er elektrisk ledende og kan drive et magnetisk felt.

\ Læs mere

Vand, vand og atter vand

Isen kan give viden om store planeter

Isen findes muligvis under overfladen på planeter som Neptun og Uranus, eller under isen på Jupiters måne Europa, formoder forskere.

Ligesom Jorden har de to store planeter og Europa nemlig magnetfelter, og forskerne mener felterne kan være drevet af superionisk is.

Jeppe Dyre, der er professor på forskningscentret Glas og Tid ved Roskilde Universitet, tror, at de amerikanske forskere har fat i noget:

»At forskerne identificerer en fase, hvor brintatomer optræder som ioner, gør pludselig denne fase til en ionleder. Det vil sige elektrisk ledende ved hjælp af ioner, ligesom i et batteri,« skriver Jeppe Dyre til Videnskab.dk efter gennemlæsning af artiklen.

»Jeg er enig i, at denne opdagelse kan være vigtig for at forstå det indre af store planeter, som – hvis det mestendels består af is – kan være årsagen til, at planeterne har et magnetfelt,« tilføjer professoren, der forsker i elektrisk ladning i uordnede faste stoffer.

Jeppe Dyre gør opmærksom på, at ionledere er et hot emne for tiden:

»Ionledning har pludselig fået fornyet interesse på grund af den enorme forskning i batterier, som er igangsat i de senere år. Her er det ikke mindst gode faste stoffer som ionledere, man er på udkig efter til erstatning af de flydende elektrolytter, man bruger i dag,« skriver han.

Superionsk is kan muligvis være den mest almindelige form for vand i universet, skrev det amerikanske medie Quantamagazine i 2019, da det for første gang var lykkedes forskere at fremstille den magnetiske tilstand af vand.