Forskere laver de firkantede iskrystaller nogensinde

Sådanne isterninger finder du ikke i din fryser.

Et internationalt hold af videnskabsmænd har sat ny rekord for at skabe iskrystaller, der har et næsten perfekt kubisk arrangement af vandmolekyler - en form for is, der kan eksistere i de koldeste skyer i høj højde, men som er ekstremt svær at lave på Jorden.

Evnen til at lave og studere kubisk is i laboratoriet kunne forbedre computermodeller af, hvordan skyer interagerer med sollys og atmosfæren - to nøgler til at forstå klimaændringer, sagde Barbara Wyslouzil, projektleder og professor i kemisk og biomolekylær teknik ved Ohio State University.

Det kunne også forbedre vores forståelse af vand - et af de vigtigste molekyler for liv på vores planet.

Set under et mikroskop, normal vandis – alt fra frosne damme, at sne, til den is, vi laver derhjemme - er lavet af krystaller med sekskantet symmetri, Wyslouzil forklarede. Men med kun en lille ændring i, hvordan vandmolekylerne er arrangeret i is, krystallerne kan antage en kubisk form.

Indtil nu, forskere har brugt tilstedeværelsen af ​​kolde kubiske isskyer højt over jordens overflade til at forklare interessante glorier observeret omkring solen, samt tilstedeværelsen af ​​trekantede iskrystaller i atmosfæren. Forskere har kæmpet i årtier for at lave kubisk is i laboratoriet, men fordi den kubiske form er ustabil, det tætteste nogen er kommet, er at lave hybridkrystaller, der er omkring 70 procent kubik, 30 procent sekskantet.

I et papir udgivet i Journal of Physical Chemistry Letters , Wyslouzil, kandidatforsker Andrew Amaya og deres samarbejdspartnere beskriver, hvordan de var i stand til at skabe frosne vanddråber, der var næsten 80 procent kubik.

"Mens 80 procent måske ikke lyder 'nær perfekt, ' de fleste forskere tror ikke længere på, at 100 procent ren kubisk is kan opnås i laboratoriet eller i naturen, " sagde hun. "Så spørgsmålet er, hvor kubisk kan vi lave det med den nuværende teknologi? Tidligere eksperimenter og computersimuleringer observerede is, der er omkring 75 procent kubik, men vi har overskredet det."

For at lave den meget kubiske is, forskerne trak nitrogen og vanddamp gennem dyser med supersoniske hastigheder. Da gassen udvidede sig, den afkølede og dannede dråber hundrede tusinde gange mindre end den gennemsnitlige regndråbe. Disse dråber var stærkt underkølede, hvilket betyder, at de var flydende et godt stykke under den sædvanlige frysetemperatur på 32 grader Fahrenheit (0 grader Celsius). Faktisk, dråberne forblev flydende indtil omkring -55 grader Fahrenheit (omkring -48 grader Celsius) og frøs derefter på omkring en milliontedel af et sekund.

For at måle cubicity af isen dannet i dysen, forskere udførte røntgendiffraktionseksperimenter ved Linac Coherent Light Source (LCLS) ved SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, CA. der, de ramte dråberne med den højintensive røntgenlaser fra LCLS og optog diffraktionsmønsteret på et røntgenkamera. De så koncentriske ringe ved bølgelængder og intensiteter, der indikerede, at krystallerne var omkring 80 procent kubik.

De ekstremt lave temperaturer og hurtige frysninger var afgørende for dannelsen af ​​kubisk is, Wyslouzil sagde:"Da flydende vanddråber i skyer i høje højder typisk er underkølede, der er en god chance for, at der dannes kubisk is der."

Præcis hvorfor det var muligt at lave krystaller med omkring 80 procent cubicity er i øjeblikket ukendt. Men, så igen, præcis hvordan vand fryser på molekylært niveau er også ukendt.

"Når vandet fryser langsomt, vi kan tænke på, at is er bygget af vandmolekyler, som du bygger en murstensvæg, den ene mursten oven på den anden, " sagde Claudiu Stan, en forskningsmedarbejder ved Stanford PULSE Institute ved SLAC og partner i projektet. "Men frysning i skyer i høj højde sker for hurtigt til, at det kan være tilfældet - i stedet, frysning kan tænkes at starte fra en uordnet bunke mursten, der hastigt omarrangerer sig til at danne en murstensvæg, muligvis indeholder mangler eller har et usædvanligt arrangement. Denne form for krystalfremstillingsproces er så hurtig og kompleks, at vi har brug for sofistikeret udstyr bare for at begynde at se, hvad der sker. Vores forskning er motiveret af ideen om, at vi i fremtiden kan udvikle eksperimenter, der vil lade os se krystaller, når de dannes."