“Bij Newton viel de appel op zijn hoofd, bij mij lag de vriezer vol met scherven,” grapt Menno Demmenie, eerste auteur van de nieuwe publicatie in Scientific Reports.

Hij vervolgt, serieuzer: "De gebruikelijke verklaring voor vorstschade is dat water uitzet als het bevriest, maar dit verklaart niet waarom halfvolle flessen in onze vriezers ook barsten. Ons werk onderzoekt hoe ijs een fles kan doen barsten, zelfs als er genoeg ruimte is om in uit te zetten."

Om dit proces te begrijpen, gebruikten de onderzoekers een speciale kleurstof, methyleenblauw, om bevriezing in open glazen flesjes te volgen. De kleurstof lost gemakkelijk op in water en kleurt het blauw. De kleurstof wordt transparant wanneer het water bevriest, omdat het uit het ijs wordt geduwd. Hierdoor kunnen de onderzoekers precies zien wanneer en waar ijs ontstaat.

Nadat ze tientallen monsters van blauwgekleurd water dat bevroor in een vrieskast van −30 °C hadden gefilmd, konden de onderzoekers de zaak oplossen. IJs breekt glas wanneer het bovenste oppervlak van het water – het oppervlak dat blootstaat aan de lucht – als eerste bevriest. De rest van het water vriest op natuurlijke wijze van buiten naar binnen, waardoor vloeibaar water aan alle kanten door ijs wordt omgeven. Wanneer dit water ook bevriest, oefent deze een extreme druk uit op de omgeving – in veel gevallen genoeg om glas te breken.

De onderzoekers schatten in dat de druk die het ijs in hun experimenten uitoefent ongeveer 260 megapascal is, genoeg om hoogwaardig staal permanent te vervormen en vier keer zoveel als hun glazen flesjes kunnen weerstaan.

Kleinere, waterafstotende flessen kunnen uitkomst bieden

Door glazen flessen van verschillende groottes en met verschillende oppervlaktecoatings te testen, ontdekte het onderzoeksteam dat er twee manieren zijn om het risico op het vormen van ingesloten water te verminderen.

De eerste manier is door ervoor te zorgen dat het water kouder wordt voordat het begint te bevriezen. Hoewel water bij 0 °C kan beginnen te bevriezen, is het mogelijk dat vloeibaar water 'supergekoeld' raakt tot temperaturen onder nul. Bevriezing moet ergens beginnen, en het begin van de faseovergang is soms uitgesteld.

Supergekoeld water bevriest anders dan water dat dichter bij 0 °C bevriest. In plaats van te groeien als een kristallijn blok, bevriest het water langs vingerachtige takken ('dendrieten'). In de experimenten verandert dit type bevriezing het gekleurde water in een donkerdere tint blauw voordat het volledig bevriest.

De onderzoekers ontdekten dat deze ongebruikelijke ijsgroei resulteert in een grote hoeveelheid kleine luchtbellen die in het ijs vast komen te zitten, wat de druk genoeg lijkt te verlichten om breken te voorkomen. "De ontdekking van het verband tussen deze luchtbellen en het bevriezen van onderkoeld water kwam als een verrassing, en we hopen dit in de toekomst gedetailleerder te onderzoeken", aldus Demmenie.

Superkoeling en de daaropvolgende vorming van bellen waren vaker zichtbaar in kleinere flessen. Als je twee flessen van verschillende grootte met dezelfde hoeveelheid water vergelijkt, koelt het water in de kleinere fles sneller af dankzij het grotere oppervlak per volume-eenheid. Dit vergroot de kans dat water verder afkoelt onder de 0 °C voordat het begint te bevriezen.

De tweede manier om gevangen water te voorkomen, is ervoor te zorgen dat niet het bovenoppervlak, maar de bodem van de container als eerste bevriest. Zolang het bovenoppervlak niet bevriest voordat de rest van het water dat doet, kan het ijs zich eenvoudigweg uitbreiden naar de open ruimte erboven.

Het team ontdekte dat de vorm van het wateroppervlak een belangrijke rol speelt. In onbehandelde glazen flessen en in flessen met een coating die water aantrekt (hydrofiel), kromt het wateroppervlak zich omhoog tegen het glas. Omdat de watermoleculen aan de rand minder bewegingsvrijheid hebben, is dit gebied vaak het eerste dat bevriest.

Water in flessen met waterafstotende (hydrofobe) coatings heeft daarentegen een plat oppervlak. Hierdoor is de kans veel groter dat het van onder naar boven bevriest, waardoor er geen water vast komt te zitten in het ijs ​​en het risico van breken wordt verkleind.

Wat leren we hiervan? Wil je kapotte flessen in je vriezer voorkomen, kies dan voor kleinere flessen en flessen met waterafstotende oppervlakken. (Veel plastics zijn waterafstotender dan glas - denk aan de PET-flessen waar frisdranken vaak in zitten, of het hardere PP waarvan bijvoorbeeld Doppers gemaakt zijn..) Naast het voorkomen van rommelige situaties in de keuken, helpen deze nieuwe bevindingen ook bij het begrijpen en voorkomen van vorstschade op andere plekken, waaronder gebouwen, wegen en historische artefacten.

Publicatie

Menno Demmenie, Paul Kolpakov, Boaz van Casteren, Dirk Bakker, Daniel Bonn & Noushine Shahidzadeh, "Damage due to ice crystallization". Scientific Reports 15, 2179 (2025). doi: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86117-5