Vanlig is – konstigare än du tror

– Det är mer sannolikt att is som bildas på interstellära dammkorn är amorf, säger Katrin Amann-Winkel, isforskare vid Stockholms universitet.

I en fast kristall sitter molekylerna ordnade i regelbundna geometriska mönster. I ett amorft material är smådelarna i stället fritt och slumpmässigt ordnade – precis som i en flytande vätska, men stelnad. Vanligt glas är ett amorft material.

– Amorf is finns inte naturligt på jorden, men i universum är det förmodligen den vanligaste formen.

De flesta av oss har hört att materien har tre faser, eller aggregationstillstånd: fast, flytande, och gas. Ibland kanske någon nämner ett fjärde tillstånd, plasma, där elektroner slits loss från atomer och molekyler, så att gasen förvandlas till en samling av elektriskt laddade smådelar. Forskare som Katrin Amann-Winkel, som studerar materiens struktur, ser betydligt fler olika faser. Det betyder att det finns olika arrangemang av smådelarna i materialet, som ger det olika egenskaper. Densiteten kan vara annorlunda, eller den elektriska ledningsförmågan – och så vidare.

Katrin Amann-Winkel visar vägen till det rum där hon tillverkar sina isprover. Här finns en maskin som pressar samman is under extremt högt tryck. Isen förvaras hela tiden inuti en isolerande termos, som håller den kraftigt nedkyld. Katrin Amann-Winkel är intresserad av hur vatten kan bilda is på olika sätt under speciella förhållanden.

– Is finns i sexton olika fasta faser och tre amorfa, berättar hon.

De flesta av de här isformerna måste undersökas med avancerade metoder för att forskarna ska kunna se hur kristallstrukturen ser ut, och på så vis bekräfta att det faktiskt handlar om olika former. Men det finns även förändringar som går att se med blotta ögat.

Katrin Amann-Winkel visar en film från ett av sina tidigare försök: En liten cylinder av is delar sig spontant i två delar; den ena ligger kvar helt stilla, medan den andra börjar fluffa upp sig och förvandlas till en porös hög som mest ser ut som aska. Cylindern består av is i två olika faser, där den ena är mer beständig och den andra genomgår en fasövergång när den placeras i ett lägre tryck.

Med hjälp av noggranna undersökningar med röntgenljus har Katrin Amann-Winkel och hennes kollegor kunnat se att det här isprovet består av två olika amorfa tillstånd.

I de fasta tillstånden har vattenmolekylerna olika sätt att arrangera sig i regelbundna mönster: kuber, avlånga lådor eller varierande skeva varianter – eller det sexkantiga mönster som vardagsisen på jorden har. Men inte heller vanlig, ”hexagonal”, is uppför sig alltid som vardagserfarenheten förutspår, enligt Rickard Pettersson vid institutionen för geovetenskaper, Uppsala universitet.

Oftast uppfattar vi en isklump som stel och spröd. Men de kilometertjocka glaciärisar som Rickard Pettersson studerar är allt annat än stela. De bildas av lager på lager av ny nederbörd som tynger ner och pressar ihop de äldre delarna, under hundratals och tusentals år. Det märkvärdiga är att de kan röra sig och flyta fram över landskapet, trots att de består av ett fast material. Det beror bland annat på att även små tryckändringar ger oproportionerligt stora deformationer i isen, när trycket är så pass högt redan från början.

– Kristallstrukturen liknar en kortlek, säger Rickard Pettersson. Lagren har lättare för att glida över varandra än att böjas eller brytas när isen utsätts för en kraft.

Lagren består av sammanlänkade sexkantiga ringar av vattenmolekyler. När en bit is utsätts för högt tryck börjar dessa lager separeras och glida över varandra, så att isen deformeras. Det är det som gör att glaciärer kan flöda och röra sig som de gör.

Det höga trycket i glaciärernas inre blir påtagligt genom en lite oväntad effekt i de borrkärnor som forskarna hämtar upp från isdjupen. När isen värms upp kan den spräckas i små explosioner. Det beror på trycket inuti de små, instängda luftbubblorna, som har pressats ihop i ismassorna. De här bubblorna bildar ett arkiv över atmosfären genom olika tider. Men det gäller att vara varsam med proverna så att de inte förstör sig själva.

Under extrema förhållanden har is många märkliga egenskaper. Men den egenhet som betyder mest för livet här på jorden är kanske ändå något så vardagligt som att isen flyter. Det tar vi för givet, men det är egentligen mycket udda att ett ämne är tätare i vätskeform än i fast form. Tack vare den egenskapen bildas ett skyddande istäcke på sjöar och vattendrag om vintern, med flytande vatten under där fiskar och andra organismer kan övervintra.

Vi halkar på den, spelar bandy på den eller borrar hål i den för pimpelfiske, och tänker sällan mer på det. Men den som tittar närmare på isen upptäcker ett riktigt märkvärdigt material.

Läs mer om hal is här