Selv langt under frysepunktet begynder isens overflade at smelte, når temperaturen stiger

"Nogle materialer er strålefølsomme. Når du bruger en elektronstråle til at afbilde dem, kan de ændres eller ødelægges," sagde Jianguo Wen, Argonne-materialeforsker og hovedforfatter på papiret. Et eksempel på et elektronstrålefølsomt materiale er elektrolytter, som udveksler ladede partikler i batterier." At være i stand til at studere dem i fine detaljer uden at forstyrre deres struktur kunne hjælpe med at udvikle bedre batterier.

Men til at starte med eksperimenterer forskere med lavdosis TEM-teknikken på frosset vand. Vand er trods alt billigt og rigeligt. Mere end det, sagde Wen, "Is er meget udfordrende at afbilde, fordi den er så ustabil under højenergielektronstrålen. Hvis vi med succes demonstrerer denne teknik på is, vil billeddannelse af andre strålefølsomme materialer være et stykke kage. "

Lavdosisteknikken kombinerer CNM's aberrationskorrigerede TEM med et specialiseret direkte elektrondetektionskamera. Systemet er ekstremt effektivt til at fange information fra hver eneste elektron, der rammer en prøve, så det er muligt at få et billede i høj opløsning ved at bruge færre elektroner, og dermed påføre målet mindre skade end en konventionel TEM-tilgang.

Det lave niveau af elektroneksponering gør det muligt at fange noget så delikat som en iskrystal in situ eller i dets omgivelser. Forskerholdet brugte flydende nitrogen til at dyrke iskrystallerne på kulstofnanorør ved 130 grader Kelvin eller minus 226 grader Fahrenheit.

Tidligere undersøgelser havde observeret forsmeltning tæt på vands tredobbelte punkt. Ved det tredobbelte punkt er temperaturen kun et hårstrå over frysepunktet, og trykket er lavt nok til, at is, væske og vanddamp kan eksistere på én gang. Ved temperaturer og tryk under det tredobbelte punkt sublimerer isen direkte til vanddamp.

"Reglerne" for vands adfærd er ofte pænt opsummeret i et simpelt fasediagram, der kortlægger vands forskellige tilstande på tværs af forskellige kombinationer af temperatur og tryk.

"Men den virkelige verden er meget mere kompleks end dette simple fasediagram," sagde Tao Zhou, Argonne-materialeforsker og en anden tilsvarende forfatter til papiret. "Vi viste, at forsmeltning kan ske langt nede på kurven, selvom vi ikke kan forklare hvorfor."

I en video optaget under eksperimentet kan to separate nanokrystaller ses opløses i hinanden, mens isen opvarmes under konstant tryk til 150 grader Kelvin eller minus 190 grader Fahrenheit. Skønt den stadig var et godt stykke under frysepunktet, dannede isen et næsten væskelignende lag. Dette ultraviskose vand er ikke medregnet blandt de simple linjer i fasediagrammet, hvor vandet går direkte fra is til damp.

Undersøgelsen rejser spændende spørgsmål, som kunne udforskes i fremtidigt arbejde. Hvad er den nøjagtige karakter af det væskelignende lag, forskerne så? Hvad ville der ske, hvis trykket hæves sammen med temperaturen? Og baner denne teknik vejen mod et glimt af "ingenmandsland", den tilstand, hvor superafkølet vand pludselig krystalliserer fra væske til is? Den århundreder lange videnskabelige undersøgelse af vands mange stater fortsætter.

Medforfattere med Wen og Zhou er Lei Yu, Thomas Gage, Suvo Banik, Arnab Neogi, Henry Chan, Xiao-Min Lin, Martin Holt og Ilke Arslan fra Argonne; Yulin Lin og Aiwen Lei fra Wuhan University; og Nathan Rosenmann fra University of Illinois i Chicago.

Flere oplysninger: Yulin Lin et al., Overfladeforsmeltning af is langt under tredobbeltpunktet, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2304148120

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Argonne National Laboratory