De complexe eigenschappen van water en ijs zijn niet goed begrepen, maar een team van UCL en de ISIS Neutron en Muon Source hebben nieuwe informatie onthuld over een fase van ijs genaamd ijs II.

Aangezien water 60% van ons lichaam uitmaakt en een van de meest voorkomende moleculen in het universum is, het is geen wonder dat water bekend staat als de 'matrix van het leven'.

Er zijn veel verschillende soorten ijs - die allemaal aanzienlijk verschillen van het ijs dat je in je vriezer zou vinden. IJs neemt veel verschillende vormen aan, afhankelijk van de druk waarbij het zich ontwikkelde.

Terwijl water bevriest, herschikken de moleculen zich, en hoge druk zorgt ervoor dat de moleculen zich op andere manieren herschikken dan ze normaal zouden doen. De vele verschillende fasen van ijs kunnen worden samengevat met behulp van een fasediagram, die de geprefereerde fysieke toestanden van materie toont bij verschillende temperaturen en drukken.

Onderzoekers van de UCL en de Science and Technology Facilities Council (STFC) ISIS Neutron en Muon Source hebben hogedrukneutronendiffractie gebruikt om de impact van ammoniumfluoride-onzuiverheden op het fasediagram van water te onderzoeken.

Hun verrassende resultaten, gepubliceerd in Natuurfysica , ontdekte dat de toevoeging van deze onzuiverheid een bepaalde ijsfase veroorzaakte, bekend als ijs II, om volledig uit het fasediagram van water te verdwijnen, terwijl de andere fasen onaangetast bleven.

De vele verschillende fasen van ijs kunnen worden gegroepeerd in een van de twee typen:waterstofgeordende fasen en waterstofgestoorde fasen. In deze verschillende fasen is de oriëntatie van watermoleculen ofwel vast gedefinieerd ofwel verstoord.

IJs II is een waterstof-geordende fase van ijs die zich vormt onder hoge druk. In tegenstelling tot andere fasen van ijs, ice II blijft thermodynamisch stabiel en waterstof-geordend tot zeer hoge temperaturen en de oorsprong van dit afwijkende resultaat is niet goed begrepen.

Met behulp van neutronendiffractie onthulde de groep de zeer speciale eigenschappen van ijs II. De PEARL hogedrukneutronendiffractometer bij ISIS Neutron and Muon Source is geoptimaliseerd voor diffractiestudies tot 20 GPa, hoewel hier monsters slechts werden blootgesteld aan 0,3 GPa. Hoewel dit ver onder de volledige capaciteit van het instrument ligt, is 0,3 GPa nog steeds gelijk aan 3 ton die op een enkele vingernagel drukt.

Voor de neutronendiffractiemetingen werden grondijsmonsters in een titanium-zirkonium blikje geplaatst, waar neutronen gemakkelijk doorheen dringen. De extreme druk op PEARL werd opgewekt met een gascompressor gevuld met argongas. Met PEARL kunnen in-situ drukneutronendiffractiemetingen plaatsvinden, die essentieel waren voor dit onderzoek.

"Zonder in-situ neutronendiffractie hadden we deze studie niet kunnen uitvoeren. Het was van het grootste belang om aan te tonen dat ijs II is verdwenen in het gebied van het fasediagram waar het normaal zou bestaan, " zei Dr. Christoph G. Salzmann (UCL Chemistry).

Naast het verzamelen van gegevens over hogedrukneutronendiffractie, onderzoekers gebruikten ook computationele methoden om zeer belangrijke inzichten te verkrijgen. Ze ontdekten dat dopingijs II met kleine hoeveelheden ammoniumfluoride ervoor zorgde dat deze specifieke ijsfase helemaal verdween, terwijl de concurrerende fasen van ijs onaangetast waren. Deze observatie stelde onderzoekers in staat om belangrijke informatie af te leiden over de hoogst ongebruikelijke eigenschappen van ijs II.

"In tegenstelling tot de andere fasen, ice II is topologisch beperking. Dit betekent dat watermoleculen in ijs II over zeer lange afstanden met elkaar interageren. In zekere zin, wat er ook gebeurt met een watermolecuul in een ijskristal II - het effect wordt 'gevoeld' door alle andere moleculen. In onze studie, ijs II ondervindt een verstoring door het ammoniumfluoride dat al het ijs II destabiliseert en doet verdwijnen, "Dr. Salzmann voegde eraan toe.

De kennis van dit effect zal van belang zijn voor elk onderzoek waarbij ijs naast andere materialen in de natuur bestaat, bijvoorbeeld op ijzige manen. In aanvulling, de speciale eigenschappen van ijs II geven een nieuwe verklaring waarom het fasediagram van water zoveel anomalieën vertoont, inclusief vloeibaar water. Deze bevindingen kunnen ook leiden tot onderzoeken naar nieuwe ijsfasen. Als doteermiddelen het vermogen hebben om bepaalde ijsfasen te onderdrukken, suggereert dit dat ze mogelijk ook de vorming van nieuwe ijsfasen kunnen induceren.

Interesse in de "matrix van het leven, " en zijn vele fasen van ijs, vertoont zeker geen teken van wankelen. Met hogedrukneutronendiffractie die de studie van omgevingen met extreme druk mogelijk maakt op een manier die geen enkele andere techniek kan, we zullen het team waarschijnlijk terugzien in de faciliteit op zoek naar nieuwe ijsfasen.