Neutroner bryder isen for at udforske grundlæggende fysik i frosset vand

Isen, vi blander i vores frosne drikkevarer, er en kompliceret forbindelse, gennemsyret af mærkelige molekylære inkonsekvenser forskere stadig kæmper for at forstå. At udforske fysikken bag den ulige mikrostruktur af vand-is kan hjælpe os med at lære mere om andre tilsyneladende ikke-relaterede avancerede materialer og deres kvantetilstande.

Derfor er Jonathan Morris, en adjunkt i fysik ved Xavier University, og Joseph Lanier, en bachelorstuderende forsker, arbejder sammen med postdoktoral forskningsassistent Anjana Samarakoon ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) for at undersøge en enkelt krystal af frosset vand. Specifikt, teamet ønsker at lære mere om ioniske defekter, mystiske molekylære anomalier, der undertiden optræder i den ellers krystallinske struktur af is. Hvis de kan finde ud af, hvor meget energi det tager at producere disse ioniske defekter, de kan muligvis bruge disse oplysninger til at skabe modeller til forståelse af lignende inkonsekvenser, der findes i molekylstrukturer af andre materialer.

"Vi ønsker at etablere en bedre forståelse af den grundlæggende fysik, der dikterer vand-is's adfærd, og derefter forhåbentlig bruge den viden til at lære mere om andre forbindelser og tilstande af stof, "sagde Morris.

Generelt, is opfører sig i henhold til et sæt retningslinjer kaldet Bernal-Fowler-reglerne (også kendt som isreglerne), som normalt kan forudsige, hvordan molekyler i frosset vand vil opføre sig. For eksempel, Bernal-Fowler-reglerne siger, at mellem to iltatomer, der vil være et brintatom, og omkring ethvert iltatom, der vil være to brintatomer. Men egentlig is er ikke altid så organiseret. Sommetider, vandmolekyler i is opfører sig dårligt, får eller mister brintatomer til at blive unikke ioner i modsætning til nogen af ​​deres nærliggende vandmolekyler.

"I stedet for to hydrogener ved siden af ​​et individuelt oxygenatom, du ender måske med tre, hvilket skaber et H. ₃ O ⁺ ion, eller du kan ende med kun et brint ved siden af ​​et ilt, hvilket ville være en OH ^- ion. Disse defekter bryder isreglerne lokalt, og vi vil gerne forstå, hvordan og hvorfor de gør dette, "sagde Samarakoon.

Morris forklarer, at lære mere om disse ioniske defekter ville hjælpe forskere med bedre at forstå den grundlæggende fysik, der dikterer, hvordan is smelter og reagerer på elektriske felter. Det kunne også kaste lys over materialer, der udviser kvanteadfærd-såsom kvante-spin-is-kandidater-som har spinarrangementer, der er analoge med hydrogenatomerne i vandis.

"På den ene side, Vi er virkelig interesserede i at lære mere om is specifikt, fordi der er meget, vi ikke ved om dets mikrostruktur. Men vi er også interesseret i is, fordi den slags uoverensstemmelser, vi ser i dens molekylære struktur, meget ligner defekter, vi finder i andre materialer, herunder nogle kvantetilstande, "sagde Morris.

For bedre at forstå disse defekter i is og andre materialer, Morris, Lanier, og Samarakoon brugte Elastic Diffuse Scattering Spectrometer (CORELLI) og Wide Angular-Range Spectrometer (ARCS) på ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) til at undersøge en delikat krystal af frosset deuteriumoxid-også kendt som "heavy-water ice"-kun 4 centimeter lang og 8 millimeter i diameter.

"Vi brugte tungt vand, D2O, fordi dets deuteriumatomer har en ekstra neutron i deres kerner sammenlignet med almindeligt brint, hvilket gør det lettere at observere med neutronspredning end H ₂ O. Og fordi tungt vand og almindeligt vand har lignende atomstrukturer, vi kan bruge det, vi lærer om tungvandsis til at bygge hypoteser om almindelig vand-is, "sagde Morris.

Samarbejdspartnere på Helmholz-Zentrum i Berlin producerede krystallen, hvilket betød, at den skulle sendes kold hele vejen fra Tyskland til Oak Ridge. Morris og hans team måtte tage særlige forholdsregler for at sikre, at det ikke smeltede midt på flyvningen.

"At få den prøve af deuteriumis helt til Oak Ridge var ret udfordrende. Vi måtte opbevare den i en tøris-container og sende den med en særlig lufttransport for at sikre, at den ikke blev ødelagt ved et uheld under sin rejse. Vi er meget glade for, hvor succesfulde vi var, og hvor hjælpsomme alle på ORNL har været under denne proces, "sagde Morris.

Neutroner er perfekte til dette eksperiment. De er dybt trængende, giver Morris og hans team mulighed for både at konstruere en komplet undersøgelse af iskrystalets indre mikrostruktur og spore energisignaturerne for frosne vandmolekyler, der vibrerer inden i isen. CORELLI -instrumentet på SNS er især nyttigt til dette eksperiment, fordi det giver Morris mulighed for at fokusere specifikt på elastiske spredningshændelser, hvor neutroner spredes af atomets prøver uden at miste eller vinde energi. Derefter, han kan bruge det nærliggende ARCS -instrument til at måle dynamisk adfærd, hvilket perfekt supplerer de statiske data, han og hans team får fra CORELLI.

"Elastiske spredningshændelser er virkelig vigtige for at lokalisere og studere ioniske defekter i is. SNS er unik, fordi vi ikke kun kan adskille elastiske- fra uelastiske-spredningsdata med CORELLI, men vi kan også verificere disse resultater ved hjælp af ARCS. Dette gør det meget lettere at udføre vores eksperiment, "sagde Morris.

Morris, Lanier, og Samarakoon håber, at de oplysninger, de indsamler fra disse forsøg, ikke kun vil hjælpe forskere med bedre at forstå vand-is, men også bidrage til en bedre forståelse af andre materialer.

"Is er et fascinerende materiale, og det, vi lærer om dets ionfejl her på ORNL, kan hjælpe os med at yde et meningsfuldt bidrag til materialevidenskaben som helhed, "sagde Lanier.