Het waterboek laat je kennismaken met de meest fascinerende en mysterieuze stof van ons universum. Op meeslepende wijze geeft wetenschapsauteur Alok Jha de ene eyeopener na de andere. Hij neemt je mee op expeditie naar Antarctica, laat zien hoe water ontstond en hoe het op aarde is gekomen, hoe wonderlijk water werkt in het reguleren van ons lichaam, hoe culturen en beschavingen eeuwenlang hebben gepoogd het te buigen naar hun wil, en hoe wij nu op onze beurt het universum uitkammen op zoek naar water.

Hier verklaart hij hoe de partytruc met plots bevroren water werkt:

Op feestjes is vaak iemand die het leuk vindt om de aanwezigen te verbazen met iets dat het midden houdt tussen een wetenschappelijk experiment en een goocheltruc. Zo iemand toont dan een fles koud water die er volkomen normaal uitziet; iemand uit het publiek mag de fles ook even bekijken en wordt gevraagd om er zachtjes mee te schudden, zodat iedereen kan zien dat het echt een heel gewone fles water is. Dan neemt de wetenschapper/goochelaar de fles terug en slaat er hard mee tegen een tafel of tegen zijn hand. In één klap bevriest het water in de fles tot ijs. De toeschouwers juichen en slaken allerlei verbaasde kreten. Dit moet een truc zijn, denkt iedereen. Het kan niet echt zijn. Toch?

Jazeker, het is echt en het is heel gemakkelijk te doen ook. Ik zal uitleggen hoe, met excuses aan eventuele goochelaars. De wetenschappelijke gedachte achter het plotselinge bevriezen van water bij deze feesttruc is een briljant inzicht in een overbekend, maar slecht begrepen proces dat zich elke seconde op aarde voordoet: hoe water tot ijs bevriest.

Wanneer een fles water afkoelt, worden de watermoleculen daarbinnen trager. Onder 0°C is een ijskristal thermodynamisch gesproken de meest stabiele configuratie van moleculen. Om die toestand te bereiken moeten de moleculen bewegen en zich aan elkaar verbinden in het juiste patroon voor ijs. Dit is echter niet zo gemakkelijk als het klinkt. Als water snel afkoelt, kan het gebeuren dat de moleculen niet de tijd krijgen om met elkaar de ordening te vormen die nodig is voor een ijskristal, voordat ze te traag worden om nog veel te bewegen.

Elk ijskristal (of eigenlijk elk kristal) heeft een startpunt nodig, een nucleatieplek waar de eerste moleculen erin slagen om samen de juiste structuur te vormen, waarna er meer moleculen bij komen in dezelfde ordening en het kristal verder groeit. Hoe en op welk moment die eerste nucleatie precies optreedt en het verhardingsproces in gang zet, is min of meer een raadsel.

‘Als je een klap geeft met de onderkoelde fles, verstoor je het systeem en deze verstoring zorgt dan dat er een nucleatie optreedt,’ zegt theoretisch scheikundige Angelos Michaelides, die zich het grootste deel van zijn carrière heeft beziggehouden met onderzoek naar de manier waarop water bevriest. ‘Maar we weten niet precies wat er dan gebeurt.’

Om een fles water voor deze instant-vriesdemonstratie te prepareren kun je hem het beste in een bad van ijs en zout zetten, waardoor het water in de fles ongeveer -10°C wordt. Vloeibaar water op deze temperatuur bestaat normaal gesproken niet, en aangezien het water niet de verwachte faseovergang naar ijs heeft doorgemaakt, verkeert het, zoals wetenschappers dat noemen, in een ‘metastabiele’ toestand. Dat betekent dat het water in de fles rijp is om een plotselinge faseovergang te ondergaan als het een duwtje in de goede richting krijgt. Misschien verstoort de klap tegen de fles piepkleine onzuiverheden, stofdeeltjes bijvoorbeeld, in de vloeistof en verbinden de afkoelende watermoleculen zich op de juiste manier aan die deeltjes.

De verstoring kan ook de vorm hebben van lucht die normaalgesproken is opgelost in de vloeistof, maar wanneer de fles ergens tegenaan wordt geslagen, uit die oplossing komt in de vorm van kleine luchtbelletjes. Het zou zelfs zo kunnen zijn dat een ribbeltje aan de binnenkant van de fles een plek wordt waar het water de juiste ordening krijgt om nucleatie te starten.

In een andere versie van dezelfde truc wordt het ijskoude water uit de fles op een ijsblok gegoten. Het spectaculaire resultaat is dat het water bevriest zodra het dat ijs raakt en er voor de ogen van het stomverbaasde publiek een kristal groeit. In dit geval denkt men dat er nucleatie kan plaatsvinden als water van de juiste temperatuur een goede mal vindt voor ijs. En wat is een betere mal voor ijs dan ijs zelf?