Ny krystallinsk isform:Forskere belyser krystalstruktur for eksotisk is XIX

Tre år siden, kemikere ved universitetet i Innsbruck fandt beviser for eksistensen af ​​en ny isart. Indtil da, 18 typer krystallinsk is var kendt. Holdet ledet af Thomas Loerting melder nu ind Naturkommunikation om belysning af krystalstrukturen af ​​is XIX ved hjælp af neutrondiffraktion.

Is er et alsidigt materiale. I snefnug eller isterninger, oxygenatomerne er arrangeret hexagonalt. Denne isform kaldes is en (is I). "Strengt taget, imidlertid, disse er faktisk ikke perfekte krystaller, men uordnede systemer, hvor vandmolekylerne er tilfældigt orienteret i forskellige rumlige retninger, " forklarer Thomas Loerting fra Institut for Fysisk Kemi ved Universitetet i Innsbruck, Østrig. Inklusive is I, 18 krystallinske former for is var kendt indtil videre, som adskiller sig i arrangementet af deres atomer. De forskellige istyper, kendt som polymorfer, dannes afhængig af tryk og temperatur og har meget forskellige egenskaber. For eksempel, deres smeltepunkter adskiller sig med flere hundrede grader Celsius. "Det kan sammenlignes med diamant og grafit, som begge er lavet af rent kulstof, " forklarer kemikeren.

Iskolde variation

Når konventionel is I afkøles kraftigt, brintatomerne kan indrette sig periodisk ud over iltatomerne, hvis forsøget udføres korrekt. Under minus 200 grader Celsius, dette kan føre til dannelsen af ​​såkaldt is XI, hvor alle vandmolekyler er ordnet efter et bestemt mønster. Sådanne ordnede isformer adskiller sig fra de forstyrrede forældreformer, især i deres elektriske egenskaber. I det nuværende arbejde, Innsbruck-kemikerne beskæftiger sig med moderformen is VI, som dannes ved højt tryk, for eksempel i Jordens kappe. Som sekskantet is, denne højtryksform af is er ikke en fuldstændig bestilt krystal.

For mere end 10 år siden, forskere ved universitetet i Innsbruck producerede en hydrogenbestilt variant af denne is, som fandt vej til lærebøger som is XV. Ved at ændre fremstillingsprocessen, for tre år siden lykkedes det Thomas Loertings hold for første gang at oprette en anden bestilt form til is VI. At gøre dette, forskerne bremsede køleprocessen betydeligt og øgede trykket til omkring 20 kbar. Dette gjorde dem i stand til at arrangere brintatomerne på en anden måde i iltgitteret og producere is XIX. "Vi fandt klare beviser på det tidspunkt, at det er en ny bestilt variant, men vi var ikke i stand til at belyse krystalstrukturen. "Nu er det lykkedes hans team at gøre netop det ved hjælp af guldstandarden til strukturbestemmelse - neutrondiffraktion.

Krystalstruktur løst

Til afklaring af krystalstrukturen, en væsentlig teknisk hindring skulle overvindes. I en undersøgelse med neutrondiffraktion, det er nødvendigt at udskifte det lette brint i vand med deuterium ("tungt brint").

"Desværre, dette ændrer også tidsskalaerne for bestilling i isfremstillingsprocessen, " siger Loerting. "Men ph.d. elev Tobias Gasser fik så den afgørende idé at tilsætte et par procent normalt vand til det tunge vand - hvilket viste sig at fremskynde bestillingen enormt." Med isen opnået på denne måde, Forskerne fra Innsbruck var endelig i stand til at måle neutrondata på HRPD-instrumentet med høj opløsning ved Rutherford Appleton Laboratory i England og omhyggeligt løse krystalstrukturen af ​​is XIX. Dette krævede at finde den bedste krystalstruktur ud af flere tusinde kandidater ud fra de målte data - omtrent som at søge efter en nål i en høstak. En japansk forskergruppe bekræftede Innsbruck-resultatet i et andet eksperiment under andre trykforhold. Begge artikler er nu udgivet i fællesskab i Naturkommunikation .

Seks isformer opdaget i Innsbruck

Mens der er rigeligt med konventionel is og sne på Jorden, ingen andre former findes på overfladen af ​​vores planet - undtagen i forskningslaboratorier. Imidlertid, højtryksformerne is VI og is VII findes som indeslutninger i diamanter og er derfor blevet føjet til listen over mineraler af International Mineralogical Association (IMA). Mange varianter af vandis dannes i det store rum under særlige tryk- og temperaturforhold. De findes, for eksempel, på himmellegemer som Jupiters måne Ganymedes, som er dækket af lag af forskellige isvarianter.

Ice XV og ice XIX repræsenterer det første søskendepar i isfysik, hvor iltgitteret er det samme, men mønsteret for hvordan hydrogenatomer er ordnet er anderledes. "Det betyder også, at det nu for første gang vil være muligt at realisere overgangen mellem to ordnede isformer i eksperimenter, "Thomas Loerting er glad for at kunne rapportere. Siden 1980'erne har forskere ved universitetet i Innsbruck, Østrig, er nu ansvarlige for opdagelsen af ​​fire krystallinske såvel som to amorfe isformer.

Det nuværende forskningsarbejde blev udført inden for rammerne af forskningsplatformen for materialer og nanovidenskab ved universitetet i Innsbruck og blev økonomisk støttet af den østrigske videnskabsfond FWF.