Låser isens hemmeligheder op

De komplekse egenskaber ved vand og is er ikke godt forstået, men et team fra UCL og ISIS Neutron og Muon Source har afsløret nye oplysninger om en isfase kaldet is II.

I betragtning af at vand udgør 60% af vores kroppe og er et af de mest udbredte molekyler i universet, det er ikke underligt, at vand er kendt som "livets matrix".

Der er mange forskellige former for is - som alle varierer betydeligt fra isen, du ville finde i din fryser. Is antager mange forskellige former afhængigt af det tryk, hvormed den udviklede sig.

Når vand fryser, omarrangerer dets molekyler sig selv, og højt tryk får molekylerne til at omarrangere på andre måder, end de normalt ville. De mange forskellige faser af is kan opsummeres ved hjælp af et fasediagram, som viser de foretrukne fysiske tilstande af stof ved forskellige temperaturer og tryk.

Forskere fra UCL og Science and Technology Facilities Council (STFC) ISIS Neutron og Muon Source har udnyttet højtryksneutrondiffraktion til at undersøge virkningen af ​​ammoniumfluoridforureninger på vandets fasediagram.

Deres overraskende resultater, udgivet i Naturfysik , fandt tilføjelsen af ​​denne urenhed forårsaget en bestemt isfase, kendt som is II, for helt at forsvinde fra vandets fasediagram, hvorimod de andre faser var upåvirket.

De mange forskellige faser af is kan grupperes i en af ​​to typer-brintordnede faser og brintforstyrrede faser. I disse forskellige faser er orienteringen af ​​vandmolekyler enten fast defineret eller uordnet.

Ice II er en hydrogenordnet fase af is, der dannes under højtryksbetingelser. I modsætning til andre isfaser, is II forbliver termodynamisk stabil og hydrogenbestilt op til meget høje temperaturer, og oprindelsen af ​​dette uregelmæssige resultat er ikke godt forstået.

Ved hjælp af neutrondiffraktion afslørede gruppen de helt særlige egenskaber ved is II. PEARL -højtryksneutrondiffraktometeret ved ISIS Neutron og Muon Source er optimeret til diffraktionsstudier op til 20 GPa, selvom prøver her kun blev udsat for 0,3 GPa. Selvom dette er et godt stykke under instrumentets fulde kapacitet, svarer 0,3 GPa stadig til 3 ton, der trykker ned på en enkelt negl.

Til neutrondiffraktionsmålingerne blev der lagt isisprøver inde i en titanium-zirconiumdåse, hvilke neutroner let trænger ind. Det ekstreme tryk på PEARL blev genereret ved hjælp af en gaskompressor fyldt med argongas. PEARL tillader in-situ tryk neutron diffraktionsmålinger at finde sted, som var afgørende for denne forskning.

"Uden neutrondiffraktion in situ kunne vi ikke have udført denne undersøgelse. Det var afgørende at påvise, at is II er forsvundet i området i fasediagrammet, hvor det normalt ville eksistere, "sagde Dr. Christoph G. Salzmann (UCL Chemistry).

Ud over at indsamle højtryks neutrondiffraktionsdata, forskere anvendte også beregningsmetoder til at få meget vigtig indsigt. De fandt ud af, at doping af is II med små mængder ammoniumfluorid fik denne isfase til at forsvinde helt, der henviser til, at de konkurrerende faser af is ikke blev påvirket. Denne observation gjorde det muligt for forskere at udlede vigtig information om isens meget usædvanlige egenskaber.

"I modsætning til de andre faser, is II er topologisk begrænset. Det betyder, at vandmolekyler i is II interagerer med hinanden over meget lange afstande. I en vis forstand, uanset hvad der sker med et vandmolekyle i en iskrystal II - virkningen "mærkes" af alle andre molekyler. I vores undersøgelse, is II oplever en forstyrrelse af ammoniumfluoridet, som destabiliserer al is II og får det til at forsvinde, "Dr. Salzmann tilføjede.

Kendskabet til denne effekt vil være af betydning for enhver undersøgelse, hvor is sameksisterer med andre materialer i naturen, for eksempel på iskolde måner. Ud over, isens særlige egenskaber giver en ny forklaring på, hvorfor vanddiagrammet viser så mange anomalier, herunder flydende vand. Disse fund kan også åbne op for undersøgelser af nye isfaser. Hvis dopemidler har evnen til at undertrykke visse isfaser, tyder dette på, at de muligvis også kan fremkalde dannelsen af ​​nye isfaser.

Interesse for "livets matrix, "og dens mange faser af is, viser bestemt ikke tegn på vaklen. Med højtryksneutrondiffraktion, der tillader undersøgelse af ekstreme trykmiljøer på en måde, som ingen anden teknik kan, vi vil sandsynligvis se holdet tilbage på anlægget på jagt efter nye faser af is.