De wetenschappelijke gemeenschap heeft een belangrijke doorbraak gerealiseerd in het fundamentele onderzoek naar de eigenschappen van water. Onderzoekers hebben de eenentwintigste vorm van ijs ontdekt, die de aanduiding IJs XXI heeft gekregen. Deze baanbrekende vondst, gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Nature Materials, werpt een nieuw licht op de manier waarop H2O-moleculen zich kunnen organiseren in vaste toestand, met name wanneer de gebruikelijke temperatuur- en drukparameters worden overschreden. IJs XXI is een metastabiele fase met een tetragonale kristalstructuur. Opmerkelijk is dat deze fase zich manifesteerde bij kamertemperatuur, maar uitsluitend onder invloed van een enorme compressie.
Het onderzoek dat tot deze ontdekking leidde, werd uitgevoerd in vooraanstaande Duitse onderzoekscentra, waaronder het European XFEL en de PETRA III fotonenbron, met betrokkenheid van specialisten van DESY. Een cruciale rol in het project was weggelegd voor wetenschappers van het Koreaanse Onderzoeksinstituut voor Standaarden en Wetenschap (KRISS). De kern van het experiment behelsde een ongekend snelle manipulatie van het watermonster. Om de vorming van de nieuwe fase te bewerkstelligen, moest het water extreem snel worden samengeperst. Het monster werd in een diamant aambeeldcel tot een druk van maar liefst 2 gigapascal (GPa) gebracht, wat neerkomt op de immense druk van ongeveer 20.000 atmosferen. Cruciaal was de snelheid: deze compressie vond plaats in slechts 10 milliseconden.
Om de moleculaire veranderingen tijdens dit flitsende proces vast te leggen, was geavanceerde technologie vereist. Het proces werd duizenden keren herhaald, waarbij de kristallisatie in real-time werd gemonitord met een ongelooflijke frequentie van één miljoen beelden per seconde. Deze methode stelde de onderzoekers in staat om de dynamiek van de faseovergang nauwkeurig te volgen. De nieuwgevormde structuur onderscheidt zich duidelijk van de twintig reeds bekende ijsmodificaties. De tetragonale roosterstructuur van IJs XXI kenmerkt zich door ongewoon grote elementaire eenheidscellen. Analyse uitgevoerd op de P02.2 PETRA III-bundellijn wees uit dat elke cel 152 watermoleculen bevat.
Wetenschappers, waaronder Geun Woo Lee van KRISS, benadrukten dat deze extreem snelle compressie het water in staat stelde om vloeibaar te blijven bij een druk waarbij het normaal gesproken al zou zijn overgegaan in IJs VI. IJs VI is een fase waarvan men vermoedt dat deze voorkomt in de kern van ijzige manen, zoals Titan en Ganymedes. Hoewel de onmiddellijke praktische toepassing van deze ontdekking in alledaagse omstandigheden beperkt is vanwege de extreme vormingscondities, is de betekenis ervan voor de astrofysica nauwelijks te overschatten. Dit opent nieuwe perspectieven voor het nauwkeuriger modelleren van de interne structuur van ijswerelden en hun satellieten in ons zonnestelsel en daarbuiten. De ontdekking benadrukt de enorme complexiteit en veranderlijkheid van water, en moedigt onderzoekers aan om verder te zoeken naar andere, nog onontdekte, hoogtemperatuur metastabiele toestanden.