Drie jaar geleden, scheikundigen van de Universiteit van Innsbruck vonden bewijs voor het bestaan ​​van een nieuwe ijssoort. Tot dan, Er waren 18 soorten kristallijn ijs bekend. Het team onder leiding van Thomas Loerting meldt nu in Natuurcommunicatie op de opheldering van de kristalstructuur van ijs XIX met behulp van neutronendiffractie.

IJs is een veelzijdig materiaal. In sneeuwvlokken of ijsblokjes, de zuurstofatomen zijn hexagonaal gerangschikt. Deze ijsvorm wordt ijs één (ijs I) genoemd. "Strikt gesproken, echter, dit zijn eigenlijk geen perfecte kristallen, maar ongeordende systemen waarin de watermoleculen willekeurig in verschillende ruimtelijke richtingen zijn georiënteerd, " legt Thomas Loerting van het Instituut voor Fysische Chemie van de Universiteit van Innsbruck uit, Oostenrijk. inclusief ijs I, 18 kristallijne vormen van ijs waren tot nu toe bekend, die verschillen in de rangschikking van hun atomen. De verschillende soorten ijs, bekend als polymorfen, vorm afhankelijk van druk en temperatuur en hebben zeer verschillende eigenschappen. Bijvoorbeeld, hun smeltpunten verschillen enkele honderden graden Celsius. "Het is vergelijkbaar met diamant en grafiet, beide zijn gemaakt van pure koolstof, ’ legt de chemicus uit.

IJzige variëteit

Wanneer conventioneel ijs I sterk wordt gekoeld, de waterstofatomen kunnen zich periodiek naast de zuurstofatomen rangschikken als het experiment correct wordt uitgevoerd. Onder min 200 graden Celsius, dit kan leiden tot de vorming van zogenaamd ijs XI, waarin alle watermoleculen volgens een bepaald patroon zijn geordend. Dergelijke geordende ijsvormen verschillen van de ongeordende oudervormen, vooral in hun elektrische eigenschappen. In het huidige werk de scheikundigen van Innsbruck behandelen de moedervorm ijs VI, die onder hoge druk wordt gevormd, bijvoorbeeld in de aardmantel. Als zeshoekig ijs, deze hogedrukvorm van ijs is geen volledig geordend kristal.

Meer dan 10 jaar geleden, onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck produceerden een waterstof-geordende variant van dit ijs, die zijn weg vond naar schoolboeken als ice XV. Door het productieproces te veranderen, drie jaar geleden slaagde het team van Thomas Loerting er voor het eerst in om een ​​tweede bestelformulier voor ice VI te creëren. Om dit te doen, de wetenschappers vertraagden het koelproces aanzienlijk en verhoogden de druk tot ongeveer 20 kbar. Hierdoor konden ze de waterstofatomen op een tweede manier in het zuurstofrooster rangschikken en ijs XIX produceren. "We hebben destijds duidelijk bewijs gevonden dat het om een ​​nieuwe bestelde variant gaat, maar we waren niet in staat om de kristalstructuur op te helderen." Nu is zijn team erin geslaagd om precies dat te doen met behulp van de gouden standaard voor structuurbepaling - neutronendiffractie.

Kristalstructuur opgelost

Voor de opheldering van de kristalstructuur, een essentiële technische hindernis moest worden overwonnen. In een onderzoek met behulp van neutronendiffractie, het is noodzakelijk om de lichte waterstof in water te vervangen door deuterium ("zware waterstof").

"Helaas, dit verandert ook de tijdschalen voor het bestellen in het ijsproductieproces, " zegt Loerting. "Maar Ph.D. student Tobias Gasser kwam toen op het cruciale idee om een ​​paar procent normaal water aan het zware water toe te voegen - wat het bestellen enorm bleek te versnellen." Met het op deze manier verkregen ijs, de wetenschappers van Innsbruck waren eindelijk in staat om neutronengegevens te meten op het HRPD-instrument met hoge resolutie in het Rutherford Appleton Laboratory in Engeland en de kristalstructuur van ijs XIX nauwgezet op te lossen. Dit vereiste het vinden van de beste kristalstructuur uit enkele duizenden kandidaten uit de gemeten gegevens - net als zoeken naar een speld in een hooiberg. Een Japanse onderzoeksgroep bevestigde het resultaat van Innsbruck in een ander experiment onder verschillende drukomstandigheden. Beide papers zijn nu gezamenlijk gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Zes ijsvormen ontdekt in Innsbruck

Terwijl conventioneel ijs en sneeuw overvloedig aanwezig zijn op aarde, geen andere vormen worden gevonden op het oppervlak van onze planeet - behalve in onderzoekslaboratoria. Echter, de hogedrukvormen ijs VI en ijs VII worden gevonden als insluitsels in diamanten en zijn daarom toegevoegd aan de lijst van mineralen door de International Mineralogical Association (IMA). Veel soorten waterijs worden gevormd in de uitgestrektheid van de ruimte onder speciale druk- en temperatuuromstandigheden. Ze worden gevonden, bijvoorbeeld, op hemellichamen zoals Jupiters maan Ganymedes, die is bedekt met lagen van verschillende soorten ijs.

IJs XV en ijs XIX vertegenwoordigt het eerste broer of zus-paar in de ijsfysica waarin het zuurstofrooster hetzelfde is, maar het patroon hoe waterstofatomen zijn geordend is anders. "Dit betekent ook dat het nu voor het eerst mogelijk zal zijn om de overgang tussen twee geordende ijsvormen in experimenten te realiseren, " Thomas Loerting is verheugd te kunnen melden. Sinds de jaren '80, onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck, Oostenrijk, zijn nu verantwoordelijk voor de ontdekking van vier kristallijne en twee amorfe ijsvormen.

Het huidige onderzoekswerk werd uitgevoerd in het kader van het Onderzoeksplatform voor Materialen en Nanowetenschappen aan de Universiteit van Innsbruck en werd financieel ondersteund door het Oostenrijkse Wetenschapsfonds FWF.