Forskere undersøger grænserne for is

Hvor lille er den mindst mulige partikel af is? Det er ikke et snefnug, måler med en kæmpe brøkdel af en tomme. Ifølge ny forskning offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences , den mindste nanodråbe vand, hvor is kan dannes, er kun så stor som 90 vandmolekyler - en tiendedel af den mindste virus. På de små skalaer, ifølge University of Utah kemiprofessor og studieforfatter Valeria Molinero, Overgangen mellem is og vand bliver lidt kruset.

"Når du har et glas vand med is, du kan ikke se vandet i glasset vende al is og al væske som en funktion af tiden, "siger hun. I de mindste vand -nanodråber, hun siger, det er præcis, hvad der sker.

Hvorfor "is I" betyder noget

Overgangen mellem vand og is er blandt de vigtigste transformationer mellem faser (faste stoffer, væsker og gasser) på vores planet, hvor det har unikke virkninger på vores klima og samtidig regulerer livets levedygtighed. Forstå de betingelser, der fører til dannelse af is, derefter, er en aktiv søgen inden for områder, der omfatter miljø- og jordvidenskab, fysik, kemi, biologi og teknik.

Is findes på Jorden næsten udelukkende i den stærkt ordnede sekskantede krystalstruktur kendt som "is I." I vores atmosfære, små vandklynger dannes og fryser efterfølgende, så større krystaller og til sidst skyer. På grund af konkurrerende termodynamiske effekter, imidlertid, under en vis diameter kan disse vandklynger ikke danne termodynamisk stabil is I. Det nøjagtige størrelsesinterval af vandklynger, der er i stand til at danne stabil is I, er blevet undersøgt gennem eksperimenter og teori i årevis med de seneste estimater, der indsnævrer området fra så lave som 90 vandmolekyler helt op til 400.

Superkøling:Lav og langsom

I fortiden, en stor barriere ved eksperimentelt at studere denne grænse har været at afkøle de superkølede væskeklynger langsomt nok til at tillade isen, jeg gitter, at danne korrekt. Afkøling for hurtigt skaber klynger af amorf is, en mindre ordnet fase. Hvis klyngerne ikke afkøles langsomt og ensartet, resultatet er en unaturlig kombination af isfaser. Computersimuleringer af isdannelse står også over for deres egne udfordringer med at replikere nanoskala fysik og isdannelse.

I den nye undersøgelse, forskere ved University of Utah, University of California, San Diego, Universitetet Göttingen, Max Planck Institutes for Solar System Research and Dynamics and Self-Organization i Göttingen kombinerer nylige fremskridt inden for simulering og eksperimenter for at løse samspillet mellem de begrænsninger, der virker på is-væskeovergangen i nanometerstore klynger.

For at overvinde køleproblemet, Göttingen -teamet brugte en molekylær stråle, der genererer klynger af en ønsket størrelse ved først at udvide en blanding af vand og argon gennem en dyse på cirka 60 mikrometer i diameter. Den resulterende stråle føres derefter gennem tre forskellige zoner, hvor kølehastigheden sænkes for at kontrollere dannelsen af ​​klyngerne, når en lav temperatur på 150 K (-123 ° C eller -189 ° F). Computermodeller af vand udviklet af San Diego- og Utah-holdene blev brugt til at simulere nanodråbernes egenskaber.

Isens ende

Brug af infrarøde spektroskopiske signaturer til at overvåge overgangen til is I i klyngerne, forskerne fandt lovende overensstemmelse mellem den eksperimentelle og den teoretiske tilgang. Resultaterne giver stærkt bevis på, at "isens ende" opstår, når klynger er omkring 90 vandmolekyler. I denne størrelse, klyngerne er kun omkring 2 nanometer i diameter, eller cirka en million gange mindre end en typisk snefnug.

Francesco Paesani ved University of California, San Diego forklarer, "Dette arbejde forbinder på en konsekvent måde eksperimentelle og teoretiske begreber til undersøgelse af mikroskopiske vandegenskaber i de sidste tre årtier, som nu kan ses i et fælles perspektiv. "

Uventet svingning

Uventet, forskerne fandt både i simulering og eksperiment, at isens sameksistens opfører sig forskelligt i klynger fra 90 til 150 vandmolekyler fra de skarpe, veldefineret smelteovergang, vi oplever med makroskopisk (storskala) is og vand, der forekommer ved 0° C. Klyngerne viste sig i stedet at gå over en række temperaturer og svinge i tid mellem væske- og istilstanden, en effekt af deres lille størrelse, der først blev forudsagt for tre årtier siden, men manglede eksperimentelt bevis indtil nu.

Thomas Zeuch fra Universität Göttingen bemærker, "Makroskopiske systemer har ingen analog mekanisme; vand er enten flydende eller fast. Denne oscillerende adfærd synes unik for klynger i denne størrelse og temperaturområde."

"Der er intet som disse svingninger i vores oplevelse af fases sameksistens i den makroskopiske verden!" Tilføjer Molinero. I et glas vand, hun siger, både is og vand er stabile og kan sameksistere, uanset størrelsen på isstykkerne. Men i en nanodråbe, der indeholder både væske og is, de fleste vandmolekyler ville være i grænsefladen mellem is og vand-så hele tofaseklyngen bliver ustabil og svinger mellem et fast stof og en væske.

Når isen bliver underlig

Vandklynger af størrelser og temperaturer i eksperimentet er almindelige i interstellare objekter og i planetariske atmosfærer, herunder vores egen, Siger Molinero. De findes også i mesosfæren, et atmosfærisk lag over stratosfæren.

"De kan også eksistere som lommer af vand i en matrix af et materiale, herunder i hulrum af proteiner, " hun siger.

Hvis de oscillerende overgange kunne kontrolleres, Molinero siger, de kunne tænkes danne grundlag for en nanoventil, der tillader passage af materialer, når en væske og stopper strømmen, når et fast stof.

Resultaterne går ud over bare is og vand. Molinero siger, at de små fænomener bør ske for ethvert stof i samme skala. "I den forstand, " hun siger, "vores arbejde går ud over vandet og ser mere generelt på koden for en faseovergang, hvordan det forvandler sig fra skarpt til oscillerende, og så forsvinder selve faserne, og systemet opfører sig som et stort molekyle."