Fremmed is på jorden:Forskere opdager, hvor tæt, udenjordisk is kan dannes på blot milliardtedele af et sekund

Stanford-forskere har for første gang fanget frysning af vand, molekyle for molekyle, ind i en mærkelig, tæt form kaldet is VII ("is syv"), findes naturligt i overjordiske miljøer, som når iskolde planetlegemer støder sammen.

Ud over at hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå disse fjerntliggende verdener, resultaterne - offentliggjort online 11. juli i Fysisk gennemgangsbreve - kunne afsløre, hvordan vand og andre stoffer gennemgår overgange fra væsker til faste stoffer. At lære at manipulere disse overgange kan en dag åbne vejen for ingeniørmaterialer med eksotiske nye egenskaber.

"Disse eksperimenter med vand er de første af deres slags, giver os mulighed for at være vidne til en grundlæggende uorden-til-orden overgang i et af de mest udbredte molekyler i universet, " sagde studielederforfatter Arianna Gleason, en postdoc ved Los Alamos National Laboratory og en gæsteforsker i Extreme Environments Laboratory ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab.

Forskere har længe undersøgt, hvordan materialer undergår faseskift mellem gas, flydende og fast tilstand. Faseændringer kan ske hurtigt, imidlertid, og på den lille skala af rene atomer. Tidligere forskning har kæmpet for at fange øjeblik-til-øjeblik handlingen af ​​faseovergange, og i stedet arbejdede baglæns fra stabile faste stoffer ved at sammenstykke de molekylære trin, der blev taget af forgængere væsker.

"Der har været et enormt antal undersøgelser af is, fordi alle ønsker at forstå dens adfærd, " sagde seniorforfatter af undersøgelsen Wendy Mao, en lektor i geologiske videnskaber og en hovedforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Hvad vores nye undersøgelse viser, og som ikke er blevet gjort før, er evnen til at se isstrukturen dannes i realtid."

At fange is på fersk gerning

Disse tidsskalaer blev opnåelige takket være Linac Coherent Light Source, verdens mest kraftfulde røntgenlaser placeret ved det nærliggende SLAC National Accelerator Laboratory. der, videnskabsholdet strålede en intens, grøn-farvet laser ved et lille mål indeholdende en prøve af flydende vand. Laseren fordampede øjeblikkeligt lag af diamant på den ene side af målet, generere en raketlignende kraft, der komprimerede vandet til tryk over 50, 000 gange Jordens atmosfære ved havoverfladen.

Da vandet komprimerede, en separat stråle fra et instrument kaldet X-ray Free Electron Laser ankom i en serie af lyse pulser kun et femtosekund, eller en kvadrilliontedel af et sekund, lang. Beslægtet med kamerablitz, denne strobing røntgenlaser knipsede et sæt billeder, der afslørede progressionen af ​​molekylære ændringer, vende bog-stil, mens det tryksatte vand krystalliserede til is VII. Faseændringen tog kun 6 milliardtedele af et sekund, eller nanosekunder. Overraskende nok, under denne proces, vandmolekylerne bundet til stavformer, og ikke sfærer som teori forudsagde.

Platformen udviklet til denne undersøgelse - der kombinerer højtryk med snapshot-billeder - kan hjælpe forskere med at undersøge de utallige måder, hvorpå vand fryser, afhængig af tryk og temperatur. Under forholdene på vores planets overflade, vand krystalliserer kun på én måde, kaldet is Ih ("ice one-H") eller blot "sekskantet is, " uanset om det er i gletsjere eller isterningbakker i fryseren.

Dykning i udenjordiske istyper, inklusive is VII, vil hjælpe videnskabsmænd med at modellere sådanne fjerntliggende miljøer som kometpåvirkninger, de indre strukturer af potentielt livbærende, vandfyldte måner som Jupiters Europa, og dynamikken i jumbo, stenet, oceaniske exoplaneter kaldet superjorder.

"Enhver iskold satellit eller planetarisk indre er tæt forbundet med objektets overflade, " sagde Gleason. "At lære om disse iskolde interiører vil hjælpe os med at forstå, hvordan verdenerne i vores solsystem blev dannet, og hvordan mindst en af ​​dem, så vidt vi ved, kom til at have alle de nødvendige egenskaber for livet."