Uventet observation af is ved lav temperatur, højtryksspørgsmål vandteori

Gennem et eksperiment designet til at skabe en superkold vandtilstand, forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory brugte neutronspredning til at opdage en vej til den uventede dannelse af tæt, krystallinske faser af is menes at eksistere uden for Jordens grænser.

Observation af disse særlige krystallinske isfaser, kendt som is IX, is XV og is VIII, udfordringer accepterede teorier om superkølet vand og amorft, eller ikke-krystallinsk, is. Forskernes fund, rapporteret i journalen Natur , vil også føre til bedre grundlæggende forståelse af is og dens forskellige faser, der findes på andre planeter og måner og andre steder i rummet.

"Brint og ilt er blandt de mest udbredte grundstoffer i universet, og den enkleste molekylære forbindelse af de to, H ₂ Åh, er almindelig, "sagde Chris Tulk, ORNL neutronspredende videnskabsmand og hovedforfatter. "Faktisk, en populær teori antyder, at det meste af Jordens vand blev bragt hertil gennem kollisioner med iskolde kometer. "

På jorden, når vandmolekyler når nul grader Celsius, de går ind i en lavere energitilstand og sætter sig på et sekskantet krystallinsk gitter. Denne frosne form betegnes som is Ih, den mest almindelige fase af vand, der kan findes i husholdnings frysere eller på skøjtebaner.

Ice IX, is XV og is VIII er tre af mindst 17 isfaser, der realiseres, når molekyler reorganiseres til en stabil krystallinsk struktur ved varierende super-lave temperaturer og meget høje tryk, forhold, der ikke forekommer naturligt på Jorden.

"Når is ændrer faser, det ligner vand, der går fra en gas til en væske til et fast stof undtagen ved lave temperaturer og højt tryk - isen omdannes mellem forskellige faste former, " sagde Tulk.

Hver kendt isfase er kendetegnet ved sin unikke krystalstruktur inden for sit tryk-temperaturområde af stabilitet, hvor molekylerne når ligevægt, og vandmolekylerne udviser et regelmæssigt tredimensionelt mønster, og strukturen bliver stabil.

I første omgang, Tulk og kolleger ved National Research Council of Canada og fra University of California i Los Angeles undersøgte den strukturelle karakter af amorf is - en istilstand, der dannes uden en ordnet krystallinsk struktur - da den omkrystalliseres ved endnu højere tryk.

For at lave amorf is, forskere fryser vand ned i en højtryksenhed, der afkøles til minus 173 grader Celsius og sættes under tryk til cirka 10, 000 atmosfærer, eller 147, 000 pund per kvadrattomme (bildæk pumpes op til cirka 32 pund pr. Kvadrattomme).

"Denne form for amorf is menes at være relateret til flydende vand, og forstå, at linket var det oprindelige formål med denne undersøgelse, "sagde Tulk.

Ved ORNL's Spallation Neutron Source, holdet frøs en tre-millimeter kugle, eller cirka en halv dråbe, af deutereret vand, som har en ekstra neutron i brintkernen, der er nødvendig for neutronspredningsanalyse. Derefter, de programmerede spallationsneutronerne og tryk, eller SNAP, diffraktometer til minus 173 grader C. Instrumentet øgede trykket trinvist hvert par timer op til 411, 000 pund per kvadrattomme, eller omkring 28, 000 atmosfærer, mens der indsamles neutronspredningsdata mellem hver stigning i tryk.

"Når vi havde opnået amorf is, vi planlagde at hæve temperaturen og trykket og observere den lokale molekylære rækkefølge, da den amorfe is 'smelter' til en afkølet væske og derefter omkrystalliseres, " sagde Tulk. Men efter at have analyseret dataene, de blev overraskede over at høre, at de ikke havde skabt amorf is, men snarere en sekvens af krystallinske transformationer gennem fire faser af is med stadigt stigende densitet:fra is Ih til is IX til is XV til is XIII. Der var slet ikke tegn på amorf is.

"Jeg har altid lavet mange af disse prøver ved at komprimere is ved lav temperatur, "sagde medforfatter Dennis Klug fra Canadas National Research Council, laboratoriet, der oprindeligt opdagede den trykinducerede amorfisering af is i 1984. "Jeg har aldrig før set denne tryk-temperatursti resultere i en række krystallinske former som denne."

"Hvis dataene fra vores eksperiment var sande, det ville betyde, at amorf is ikke er relateret til flydende vand, men snarere er en afbrudt transformation mellem to krystallinske faser, en væsentlig afvigelse fra bredt accepteret teori, "Tilføjede Klug.

I starten holdet troede, at deres observation var resultatet af en forurenet prøve.

Yderligere tre forsøg med en frisk, omhyggeligt håndterede prøver på SNAP gav identiske resultater, genbekræftelse af den strukturelle transformationssekvens uden dannelse af amorf is.

Nøglen var den langsomme trykstigning og indsamling af data ved et lavere tryk, der tillod isstrukturen at slappe af og blive den stabile is IX -form. Tidligere forsøg gik hurtigt over is IX -strukturen uden afslapning, dette resulterede i den amorfe fase.

I 35 år, forskere har undersøgt egenskaberne af superkoldt vand og ledt efter det, der er kendt som det andet kritiske punkt, som er begravet inden for de faste isfaser. Men disse resultater sætter spørgsmålstegn ved dens eksistens. "Forholdet mellem trykinduceret amorf is og vand er nu i tvivl, og det andet kritiske punkt eksisterer muligvis ikke engang, " sagde Tulk.

"Resultaterne af dette papir vil danne grundlag for analysen af ​​fremtidige undersøgelser af amorfe isfaser under kommende forsøg foretaget på SNS, " han tilføjede.

Medforfattere til undersøgelsen med titlen, "Fravær af amorfe former, når is komprimeres ved lav temperatur, "omfattede Chris A. Tulk og Jamie J. Molaison fra ORNL; Adam Makhluf og Craig E. Manning fra UCLA; og Dennis D. Klug fra NRC i Canada.