Vierkant ijs, gevormd tussen twee grafeenlagen, ‘gekiekt’ met een transmissie-elektronmicroscoop. De donkere vlekken zijn zuurstofmoleculen, die de plaats van het watermolecuul markeren. Rechtsboven een vergroting (afb: univ.v.Ulm)

Water is een gekke stof. De chemische samenstelling is uiterst simpel: twee waterstofatomen en een zuurstofatoom. Toch heeft water een groot aantal vreemde eigenschappen. Zo is vast water lichter dan vloeibaar water, waar vaste stoffen meestal zwaarder zijn dan hun vloeibare vorm. Met behulp van grafeen hebben onderzoekers van, onder meer, de universiteit van Ulm (D) vierkant ijs gemaakt. Dat ontbrak er nog aan.
Normaal zijn ijskristallen opgebouwd uit viervlakken, die tezamen in sneeuwvlokken allerlei prachtige vormen kunnen aannemen. Die kristalvorm blijft ook onder extreme druk gehandhaafd, maar als water tussen twee velletjes materiaal wordt bevroren, dan verandert dat vanwege de wisselwerk van de watermoleculen met dat materiaal. Dan kan ijs andere vormen aannemen. Water dat onder hoge druk tussen twee velletjes grafeen wordt geperst krijgt in de vaste vorm een vierkante kristalopbouw. Dit lijkt op spelevaren van de wetenschappers, maar het onderzoek dient wel degelijk een doel.
Nanotechnologie is een (beoogd) heet onderwerp, maar hoe moleculen zich op nanoschaal gedragen (dan hebben we het over eenmiljoenste millimeter) weten we nog niet zo goed. Zo begeleidt het eiwit aquaporine water door het celmembraan met behulp van waterafstotende en wateraantrekkende delen. Op nanoschaal praten we over moleculaire en atomaire wisselwerkingen. Met grafeen is het natuurlijk wel anders. Bij aquaporine spelen waterstofbruggen een belangrijke rol, maar die komen door de toegepaste hoge druk niet uit de verf, stellen de onderzoekers ter verklaring. De Van der Waals-krachten tussen de atomen zouden overheersen, de zwakke aantrekkingskracht tussen atomen, waardoor de twee grafeenvelletjes naar elkaar toe worden getrokken en het vierkante ijs ontstaat.
Toch is de vergelijking met het ‘watereiwit’ niet zo gek, omdat dit experiment raakt aan hoe watermoleculen door hele kleine kanaaltjes of door membranen stromen. De onderzoekers waren verbaasd te zien wat er gebeurde. Het zou voor het eerst zijn dat dit experiment ‘in het echt’ is uitgevoerd. Tot nu toe waren dit soort proeven alleen ‘in silicium’ te doen en daarvan waren de uitkomsten niet bepaald overeenkomstig. Al eerder heeft grafeenontdekker en Nobelprijswinnaar Andre Geim, die ook aan het onderzoek heeft deelgenomen, gesteld dat het uiterst snelle water dat door de grafeencapillairen stroomt heeft te maken met tweedimensionaal (vlak) vierkant ijs. Deze proef zou die veronderstelling bevestigen.

Bron: Science Daily