Orden og uorden i krystallinsk is forklaret

Et fascinerende stof med unikke egenskaber, is har fascineret mennesker siden umindelige tider. I modsætning til de fleste andre materialer, is ved meget lav temperatur er ikke så bestilt, som det kunne være. Et samarbejde mellem Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), Abdus Salam Internationale Center for Teoretisk Fysik (ICTP), Institut for Fysik Rosario (IFIR-UNR), med støtte fra Istituto Officina dei Materiali fra det italienske nationale forskningsråd (CNR-IOM), gjort nye teoretiske indtog på årsagerne til, at dette sker, og på den måde, hvorpå noget af den manglende ordre kan inddrives. I den ordnede tilstand har holdet af videnskabsmænd beskrevet en relativt uklar og alligevel grundlæggende egenskab ved meget lav temperatur is:ferroelektricitet. Resultaterne, udgivet i PNAS , vil sandsynligvis strække sig til isoverflader, en mulighed, der kunne være relevant for agglomerering af ispartikler i det interstellare rum.

"I et ideelt ordnet stykke is skal brintatomerne i hvert vandmolekyle pege i samme retning, som soldater i en deling, der kigger foran dem, " forklarer Alessandro Laio, fysiker i SISSA og ICTP. "Hvis det var tilfældet, is ville udvise en makroskopisk elektrisk polarisering - den ville være ferroelektrisk. I stedet, vandmolekyler i is, selv ved meget lav temperatur, opfør dig som uregerlige soldater, og alle kigger i forskellige retninger."

Denne unormale adfærd, opdaget eksperimentelt i 1930'erne, blev straks og berømt forklaret af Linus Pauling:Manglen på disciplin er en effekt af 'isreglen'-begrænsningen - hvert iltatom bør til enhver tid have to og kun to protoner for at gøre det til H ₂ O. Den vanskelige kinetik skabt af denne begrænsning får bestillingsprocessen til at blive uendelig langsom, som i en deling, hvor hver soldat havde fire naboer og skulle holde to hænder på skuldrene af to af dem.

"Var det ikke for urenheder eller defekter, hvilket viste sig at spille en afslørende rolle, man ville stadig i dag ikke vide, om protonrækkefølgen og ferroelektriciteten af ​​bulk krystallinsk is er en reel mulighed eller en fantasi, da hverken eksperimenter eller simuleringer kunne overvinde den kinetiske afmatning, der genereres af isregler, " påpeger Erio Tosatti, fysiker fra SISSA, ICTP og CNR-IOM Democritos.

Urenheder, såsom en KOH, der erstatter H ₂ Åh, er faktisk kendt for at tillade bestillingsprocessen at nukleere og is at blive ordnet og ferroelektrisk ved meget lav temperatur, dog kun delvist og trægt. Endnu engang, 'is-reglen' blev mistænkt for at være bag den træghed i denne proces, men præcis, hvordan det fungerede, var ikke rigtig kendt.

Sammen med Jorge Lasave og Sergio Koval fra IFIR-UNR i Argentina, begge ICTP-associerede medlemmer, Alessandro Laio og Erio Tosatti designede en teoretisk model og en strategi til at forklare adfærden af ​​både ren og dopet is.

"Ifølge denne model, " forklarer forskerne, "når en urenhed er introduceret i en indledende ikke-ligevægtsforstyrret lavtemperaturtilstand, det fungerer som et frø til den ordnede fase, men på en ejendommelig måde:ikke alle 'soldaterne' omkring urenheden begynder at kigge i den rigtige retning, men kun dem foran eller bagved urenheden. Dermed, i slutningen af ​​processen vil kun en række soldater inde i delingen blive beordret." Denne meget atypiske proces har mange af de karakteristika, der kan forklare den træge og ufuldstændige begyndelse af ferroelektrisk orden i ægte dopet is.

"Selvom undersøgelsen indtil videre er begrænset til bulk is, "Tosatti og Laio konkluderer, "den fremhævede mekanisme vil sandsynligvis strække sig til isoverflader, hvor strenge af ordnede protoner kunne danne kerne ved lave temperaturer, forklarer en længe kendt lille mængde lokal ferroelektrisk polarisering, et fænomen også nævnt som muligvis relevant for agglomerationen af ​​ispartikler i det interstellare rum."