Orden ud af uorden i is

Glasstrukturen af ​​et materiale menes ofte at efterligne dets tilsvarende væske. Polyamorfi mellem is er blevet brugt som en guide til at belyse flydende vands egenskaber. Men hvor mange former for amorfe is findes der? Forstår vi, hvordan metastabil højtryks-krystallinsk is udvikler sig mod den termisk stabile lavdensitetsform?

Et internationalt forskerhold ledet af Chuanlong Lin og Wenge Yang fra HPSTAR og John S. Tse fra University of Saskatchewan har afsløret en transformationsmekanisme med flere trin ved hjælp af state-of-the-art tidsopløst in situ synkrotron røntgendiffraktion. En temperatur/tidsafhængig kinetisk vej med tre karakteristiske overgange blev identificeret i den strukturelle udvikling fra metastabil krystallinsk is (is VII eller is VIII) til den termodynamisk stabile is I. Disse mellemliggende processer konkurrerer mod hinanden. Slutresultatet er en sammenstilling af disse processer. Værket er udgivet i PNAS .

Vand spiller en afgørende rolle i livets oprindelse på Jorden. I flydende fase, det udviser mange usædvanlige egenskaber. I den faste fase, almindelig is viser også forskellige faseovergange ved højt tryk. Mange teoretiske og eksperimentelle undersøgelser er blevet afsat til at forstå de underliggende inter-konverteringsmekanismer. Indtil nu, de fleste eksperimenter har været ex situ målinger på genvundne prøver og mangler detaljeret information om den strukturelle udvikling, der ledsager transformationen. Tidligere undersøgelser er blevet hindret af tekniske vanskeligheder med at overvåge den hurtige strukturelle ændring over et bredt tryk- og temperaturområde.

I 2017 Lin og hans kolleger overvandt den eksperimentelle udfordring. En række undersøgelser blev udført for at undersøge isovergange ved at kombinere in situ tidsopløst røntgendiffraktion, og fjerntrykstyring med forskellige rampehastigheder i en lavtemperaturkryostat. Denne evne tillod undertrykkelse af termisk drevne krystallinske-krystallinske overgange [ PNAS 115, 2010-2015(2018)]. Vigtig indsigt i kompleksiteten af ​​de polyamorfe transformationer blev opnået, såsom den kinetisk kontrollerede to-trins amorfisering i is Ih [Phys. Rev. Lett. 119, 135701(2017)] og den succesrige satsning på ingenmandsland [Phys. Rev. Lett. 121, 225703(2018)].

Nu, de forsøger at svare på, hvad er karakteren af ​​de amorfe-amorfe fase transformationsprocesser? Ved at bruge de nyudviklede teknikker, de udforskede "spejl"-processen, dvs. omvendt transformation fra en metastabil krystallinsk is med høj tæthed (dvs. is VII eller is VIII) til den omgivende stabile is I. De identificerede de temperatur/tidsafhængige kinetiske veje og karakteriserede samspillet/konkurrencen mellem højdensitet amorfe (HDA)-lavdensitet amorfe (LDA) overgang og omkrystallisation. I modsætning til tidligere rapporteret is VII (eller is VIII)-LDA-ice I transformationssekvenser, tidsopløste målinger viser en tre-trins proces:indledende transformation af is VII til HDA, efterfulgt af en HDA-LDA-overgang, og derefter krystallisation af LDA til is I. Både amorfiseringen af ​​is VII og overgangen fra HDA til LDA viser karakteristiske termiske aktiveringsmekanismer. Væsentligt, begge processer udviser Arrhenius-adfærd med en temperaturafhængig varighedstid (τ) og en 'overgangstemperatur' på omkring 110-115 K.

Storskala molekylær-dynamikberegninger understøtter også deres eksperimentelle resultater. Desuden, det viser, at HDA til LDA-transformationen er kontinuerlig med en stor densitetsforskel og involverer betydelige forskydninger af vand i nanoskalaen. Denne undersøgelse præsenterer et nyt perspektiv på metastabiliteten og kompleksiteten i udformningen af ​​is-overgangskinetiske veje.