Afsløring af vandets og isens hemmeligheder som materialer

Vand er afgørende for livet på Jorden, og dets betydning kan simpelthen ikke overvurderes - det er også dybt forankret i vores samvittighed, at der er noget ekstremt særligt ved det. Endnu, fra et videnskabeligt synspunkt, meget er stadig ukendt om vand og dets mange faste faser, som viser en overflod af usædvanlige egenskaber og såkaldte anomalier, der, mens det er centralt for vandets kemiske og biologiske betydning, ses ofte som kontroversielle.

Dette inspirerede forskere ved University College London og Oxford University til at forfølge en bedre forståelse af vand og is som materialer, som har en vidtrækkende indvirkning på mange forskningsområder. I en artikel i Journal of Chemical Physics , de rapporterer deres arbejde med brintbestillingen af ​​den uordnede is VI -fase i forhold til den ordnede modpartsis XV.

"Når flydende vand fryser, kun dets oxygenatomer ender faktisk i faste positioner, "forklarede Christoph G. Salzmann, lektor og Royal Society Research Fellow, Institut for Kemi, University College London. "Brintatomerne forbliver uordnede - så vi kalder sådanne faser af is 'hydrogen uordnet'. Ved afkøling, hydrogenatomerne forventes at blive ordnet og resultere i brintordnede is. Endnu, denne proces er vanskelig, fordi omorienteringen af ​​de hydrogenbundne vandmolekyler er meget samarbejdsvillige. "

For at hjælpe med at forklare konceptet, han brugte et flisespil som en analogi.

"At flytte fra uorden til orden er svært arbejde, fordi fliserne ikke kan bevæge sig uafhængigt - ligner situationen i is, "sagde han." Men, et par år siden, vi fandt ud af, at tilføjelse af en lille mængde saltsyre dramatisk hjælper med at opnå brintorden ved lave temperaturer. "

Saltsyre er den "magiske ingrediens", der fremskynder vandmolekylernes omorientering.

Is VI og is XV er begge højtryksfaser af is, der dannes ved ca. 10, 000 atmosfærer. "Isens struktur XV har været genstand for livlig videnskabelig diskussion i årevis, "Salzmann sagde." En række forskellige og, delvis, modstridende modeller er blevet foreslået fra både eksperimentelle data - herunder en tidligere undersøgelse foretaget af vores gruppe - såvel som beregningsundersøgelser. "

Til dette arbejde, forskerne vendte sig til neutrondiffraktion for at analysere isens struktur XV og dens dannelse fra is VI. "Brug af neutroner er vigtigt, fordi røntgenstråler i det væsentlige er" blinde "over for hydrogenatomer, "Salzmann sagde." For fuldt ud at løse isens struktur XV, vi har virkelig brug for at vide, hvor hydrogenatomerne er placeret - neutroner er afgørende. "

Gruppens arbejde repræsenterer en stor ændring i forståelsen af ​​is XV, der konsoliderer meget af deres tidligere arbejde. "Først, vi har vist ved hjælp af neutrondiffraktion ved ISIS Science and Technology Facilities Council i Storbritannien, at isen krymper i to retninger, men udvider sig i den tredje under overgangen fra is VI til XV, "forklarede han." Ved hjælp af tæthedsfunktionelle teoriberegninger, vi kan vise, at kun en bestemt strukturel model af is XV er i overensstemmelse med disse ændringer. "

I øvrigt, denne struktur er også den, gruppen foreslog ud fra deres dybdegående analyse af neutrondata.

"Denne overensstemmelse mellem eksperiment og beregninger er stor, i særdeleshed, fordi der har været modstridende synspunkter vedrørende is XV, "tilføjede han." Isens samlede volumen stiger under faseovergangen, som endelig forklarer, hvorfor overgangen lettere observeres ved omgivelsestryk end ved højere tryk - adfærd, der har undret os i lang tid. "

Et andet vigtigt punkt, præsenteret i deres artikel, er et nyt computerprogram kaldet "RandomIce, "som har produceret den bedste strukturelle beskrivelse af is XV til dato." Vi har præsenteret udarbejdelsen af ​​den mest bestilte is XV til dato, men vi har ikke opnået en fuldstændig ordnet tilstand, "Sagde Salzmann.

RandomIce gør det muligt at forberede store molekylære modeller, som gruppen kalder "superceller". Disse er i overensstemmelse med den gennemsnitlige struktur opnået fra diffraktionsdataene, og i det væsentlige "spiller" RandomIce det flisespil, der er beskrevet tidligere, indtil den bedste overensstemmelse med diffraktionsdata er opnået. "At gøre dette, mere end 100 millioner 'flisebevægelser' var nødvendige, ”Påpegede Salzmann.

Gruppens arbejde åbner døren for udviklingen af ​​mere præcise computermodeller af vand, der kan gavne en lang række discipliner - lige fra biologi og kemi til geologi og atmosfæriske videnskaber.

Yderligere, det er nu muligt at "præcisere, i hvilken form is forventes at forekomme under visse tryk- og temperaturforhold inde i iskolde måner og planeter, "Sagde Salzmann.

Hvad er det næste for forskerne?

"Der er stadig et åbent spørgsmål om, hvorfor vi ikke kan opnå fuld orden i is XV, "Salzmann sagde." Vi har allerede startet nyt eksperimentelt arbejde med at undersøge, hvordan isens egenskaber ændrer sig inden for nanokonklusioner og tilstedeværelsen af ​​kemiske arter - fordi vi er interesserede i at forstå isens komplekse opførsel på kometer og i vores atmosfære. "