Water is van vitaal belang voor het leven op aarde en het belang ervan kan eenvoudig niet worden overschat - het is ook diep geworteld in ons geweten dat het iets buitengewoons heeft. Nog, vanuit wetenschappelijk oogpunt, er is nog veel onbekend over water en zijn vele vaste fasen, die een overvloed aan ongebruikelijke eigenschappen en zogenaamde anomalieën vertonen die, hoewel centraal in het chemische en biologische belang van water, worden vaak als controversieel beschouwd.

Dit inspireerde onderzoekers van University College London en Oxford University om een ​​beter begrip van water en ijs als materialen na te streven, die een verregaande impact heeft op veel onderzoeksgebieden. In een artikel in The Journal of Chemical Physics , ze rapporteren hun werk aan de waterstofordening van de wanordelijke ijs VI-fase ten opzichte van zijn geordende tegenhanger ijs XV.

"Als vloeibaar water bevriest, alleen zijn zuurstofatomen komen daadwerkelijk op vaste posities terecht, " verklaarde Christoph G. Salzmann, universitair hoofddocent en Royal Society Research Fellow, Afdeling Chemie, Universiteits Hogeschool Londen. "De waterstofatomen blijven ongeordend - dus we noemen dergelijke fasen van ijs 'waterstofwanorde'. Bij afkoeling, de waterstofatomen zullen naar verwachting geordend worden en resulteren in waterstof-geordende ijsjes. Nog, dit proces is moeilijk omdat de heroriëntaties van de waterstofgebonden watermoleculen zeer coöperatief zijn."

Om het concept uit te leggen, hij gebruikte een tegelspel als analogie.

"Van wanorde naar orde gaan is moeilijk werk omdat de tegels niet zelfstandig kunnen bewegen - vergelijkbaar met de situatie in ijs, "zei hij. "Maar, een paar jaar geleden, we ontdekten dat het toevoegen van een kleine hoeveelheid zoutzuur dramatisch helpt bij het bereiken van waterstoforde bij lage temperaturen."

Zoutzuur is het "magische ingrediënt" dat de heroriëntatie van de watermoleculen versnelt.

IJs VI en ijs XV zijn beide hogedrukfasen van ijs die zich vormen bij ongeveer 10, 000 sferen. "De structuur van ijs XV is al jaren het onderwerp van levendige wetenschappelijke discussies, " zei Salzmann. "Een verscheidenheid aan verschillende en, gedeeltelijk, tegenstrijdige modellen zijn gesuggereerd uit zowel experimentele gegevens - inclusief een eerdere studie door onze groep - als computationele studies."

Voor dit werk, de onderzoekers wendden zich tot neutronendiffractie om de structuur van ijs XV en de vorming ervan uit ijs VI te analyseren. "Het gebruik van neutronen is belangrijk omdat röntgenstralen in wezen 'blind' zijn voor waterstofatomen, Salzmann zei. "Om de structuur van ijs XV volledig op te lossen, we moeten echt weten waar de waterstofatomen zich bevinden - neutronen zijn essentieel."

Het werk van de groep vertegenwoordigt een grote verandering in het begrip van ijs XV dat veel van hun eerdere werk consolideert. "Eerst, we hebben met behulp van neutronendiffractie bij de ISIS Science and Technology Facilities Council in het VK aangetoond dat het ijs in twee richtingen krimpt, maar zet uit in de derde tijdens de overgang van ijs VI naar XV, " legde hij uit. "Met behulp van berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie, we kunnen aantonen dat slechts één specifiek structureel model van ijs XV consistent is met deze veranderingen."

Overigens, deze structuur is ook degene die de groep voorstelde op basis van hun diepgaande analyse van neutronengegevens.

"Deze overeenkomst tussen experiment en berekeningen is geweldig, vooral, omdat er tegenstrijdige opvattingen zijn over ijs XV, " voegde hij eraan toe. "Het totale volume van het ijs neemt toe tijdens de faseovergang, wat uiteindelijk verklaart waarom de overgang gemakkelijker wordt waargenomen bij omgevingsdruk dan bij hogere drukken - gedrag dat ons lange tijd in verwarring heeft gebracht."

Een ander belangrijk punt, gepresenteerd in hun artikel, is een nieuw computerprogramma genaamd "RandomIce, " die tot nu toe de beste structurele beschrijving van ijs XV heeft opgeleverd. "We hebben de voorbereiding van de meest geordende ijs XV tot nu toe gepresenteerd, maar we hebben geen volledig geordende staat bereikt, ' zei Salzmann.

RandomIce maakt het mogelijk om grootschalige moleculaire modellen te maken, die de groep 'supercellen' noemt. Deze zijn consistent met de gemiddelde structuur verkregen uit de diffractiegegevens, en in wezen "speelt" RandomIce het eerder beschreven tegelspel totdat de beste overeenstemming met de diffractiegegevens is bereikt. "Om dit te doen, er waren meer dan 100 miljoen 'tegelbewegingen' nodig, ' merkte Salzmann op.

Het werk van de groep opent de deur naar de ontwikkeling van nauwkeuriger computermodellen van water die een breed scala aan disciplines ten goede kunnen komen - van biologie en scheikunde tot geologie en atmosferische wetenschappen.

Verder, het is nu mogelijk om "te verduidelijken in welke vorm ijs naar verwachting zal voorkomen onder bepaalde druk- en temperatuuromstandigheden in ijzige manen en planeten, ' zei Salzmann.

Wat volgt er voor de onderzoekers?

"Er is nog steeds een open vraag waarom we de volledige orde in ijs XV niet kunnen bereiken, "Zei Salzmann. "We zijn al begonnen met nieuw experimenteel werk om te onderzoeken hoe de eigenschappen van ijs veranderen binnen nano-opsluitingen en de aanwezigheid van chemische soorten - omdat we geïnteresseerd zijn in het begrijpen van het complexe gedrag van ijs op kometen en in onze atmosfeer."