Aeroices:Nyligt opdaget is med ultralav massefylde

Vand har mange isfaser, der dannes under forskellige tryk- og temperaturforhold. Virkningerne af positivt pres er blevet udforsket grundigt, med noget forudsigelige resultater:Når trykket stiger, det samme gør isens tæthed.

Meget mindre vides, imidlertid, om virkningerne af ekstremt negativt tryk på vandmolekyler. Undersøgelse af en betydelig region med negativt tryk gennem molekylære dynamiske simuleringer, forskere har nu teoretisk opdaget en ny familie af isfaser. Kaldes aeroices, disse is har den laveste tæthed af alle kendte iskrystaller. Forskerne, fra Okayama University i Japan, rapportere deres resultater i denne uge i Journal of Chemical Physics .

"Vores forskning, som undersøger en hel region med negativt tryk for første gang, giver en betydelig springbræt i at udforske dette store og indviklede område på fasediagrammet, "sagde Masakazu Matsumoto, lektor ved Research Institute for Interdisciplinary Science ved Okayama University og en medforfatter af papiret. "Iser med lavere densitet end normal is viser sig også at være mangfoldige [af mange slags]."

Opdagelsen forventes at fremskynde forståelsen af ​​vandets grundlæggende egenskaber og adfærd i nanorør og andre nanoporer, såvel som i biomolekyler.

Sytten isfaser er fundet eksperimentelt, hver nummereret i rækkefølgen af ​​dens opdagelse. Kun to is har lavere densitet end normal is.

I 2014, et forskergruppe opdagede en isfase, der dannes under undertryk:is XVI. Isens molekyler danner en zeolitstruktur, et 3-D krystallinsk bur, hvor gæstemolekyler eller atomer er fanget inde. Gæstemolekylerne (neonpartikler i dette tilfælde) blev fjernet, resulterer i en stabil, ultralav densitet is ved høje negative tryk. Ved hjælp af en lignende teknik, en anden gruppe forskere opdagede is XVII i 2016.

Forskerne ved Okayama University kortlagde alle de mulige isfaser, der stadig er tilbage at undersøge i området med negativt tryk. Ved at strukturen af ​​silica (SiO2) og is er almindelig, de hentede 200 silica zeolitter fra Zeolite Database, som administreres gennem International Zeolite Association. Mere end 300 strukturer blev samlet evalueret.

Forskerne omarrangerede atomerne i SiO2 -strukturen, fjernelse af de to iltatomer og udskiftning af siliciumatomet i hvert molekyle med et iltatom. Derefter, hydrogenatomer blev tilføjet, så strukturen adlød isreglen.

I densitetsområdet, der kun er omkring halvdelen af ​​flydende vand (~ 0,5 g/cm^3), forskerne viste, at den nyopdagede isfase er mere stabil end nogen zeolitis, der er undersøgt hidtil. Forskerne simulerede endnu mindre tætte isstrukturer - mellem 0 og 0,5 gram pr. Kubikcentimeter - ved at tilføje polyhedrale byggesten til de zeolitiske rammer for at gøre strukturen sparsommere og samtidig opfylde strukturreglen for is.

"Disse nye strukturer er luftfartøjer, "sagde Matsumoto, "og de kan være mere stabile end nogen zeolitisk is ved visse termodynamiske forhold under undertryk."