Door een experiment dat is ontworpen om een ​​superkoude staat van water te creëren, wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy gebruikten neutronenverstrooiing om een ​​pad te vinden naar de onverwachte vorming van dichte, kristallijne fasen van ijs waarvan wordt gedacht dat ze buiten de grenzen van de aarde bestaan.

Observatie van deze specifieke kristallijne ijsfasen, bekend als ijs IX, ijs XV en ijs VIII, daagt geaccepteerde theorieën uit over supergekoeld water en amorf, of niet-kristallijn, ijs. De bevindingen van de onderzoekers, gerapporteerd in het journaal Natuur , zal ook leiden tot een beter basisbegrip van ijs en zijn verschillende fasen op andere planeten en manen en elders in de ruimte.

"Waterstof en zuurstof behoren tot de meest voorkomende elementen in het universum, en de eenvoudigste moleculaire verbinding van de twee, H ₂ O, komt veel voor, " zei Chris Tulk, ORNL neutronenverstrooiingswetenschapper en hoofdauteur. "In feite, een populaire theorie suggereert dat het meeste water op aarde hierheen is gebracht door botsingen met ijzige kometen."

Op aarde, wanneer watermoleculen nul graden Celsius bereiken, ze komen in een lagere energietoestand en bezinken op een hexagonaal kristalrooster. Deze bevroren vorm wordt aangeduid als ijs Ih, de meest voorkomende waterfase die te vinden is in huishoudelijke vriezers of op ijsbanen.

ijs IX, ijs XV en ijs VIII zijn drie van ten minste 17 ijsfasen die worden gerealiseerd wanneer moleculen reorganiseren tot een stabiele kristallijne structuur bij variërende superlage temperaturen en zeer hoge drukken, omstandigheden die van nature niet op aarde voorkomen.

"Als ijs van fase verandert, het is vergelijkbaar met water dat van een gas naar een vloeistof naar een vaste stof gaat, behalve bij lage temperaturen en hoge druk - het ijs transformeert tussen verschillende verschillende vaste vormen, ' zei Tulk.

Elke bekende ijsfase wordt gekenmerkt door zijn unieke kristalstructuur binnen zijn druk-temperatuurbereik van stabiliteit, waar de moleculen een evenwicht bereiken en de watermoleculen een regelmatig driedimensionaal patroon vertonen, en de structuur wordt stabiel.

aanvankelijk, Tulk en collega's van de National Research Council of Canada en van de University of California in Los Angeles onderzochten de structurele aard van amorf ijs - een staat van ijs die zich vormt zonder geordende kristallijne structuur - terwijl het herkristalliseert bij nog hogere drukken.

Om amorf ijs te maken, wetenschappers bevriezen water in een hogedrukapparaat dat wordt gekoeld tot min 173 graden Celsius en onder druk wordt gebracht tot ongeveer 10, 000 sferen, of 147, 000 pond per vierkante inch (autobanden worden opgepompt tot ongeveer 32 pond per vierkante inch).

"Er wordt gedacht dat dit type amorf ijs gerelateerd is aan vloeibaar water, en het begrijpen van die link was het oorspronkelijke doel van deze studie, ' zei Tulk.

Bij ORNL's Spallation Neutron Source, het team bevroor een bol van drie millimeter, of ongeveer een halve druppel, van gedeutereerd water, die een extra neutron in de waterstofkern heeft die nodig is voor analyse van neutronenverstrooiing. Vervolgens, ze programmeerden de Spallation Neutrons en Pressure, of SNAP, diffractometer tot min 173 graden C. Het instrument verhoogde de druk om de paar uur stapsgewijs tot 411, 000 pond per vierkante inch, of ongeveer 28, 000 atmosfeer tijdens het verzamelen van neutronenverstrooiingsgegevens tussen elke stijging van de druk.

"Toen we eenmaal amorf ijs hadden bereikt, we waren van plan de temperatuur en druk te verhogen en de lokale moleculaire ordening te observeren terwijl het amorfe ijs 'smelt' tot een onderkoelde vloeistof en vervolgens herkristalliseert, "zei Tulk. Echter, na analyse van de gegevens, ze waren verrast om te horen dat ze geen amorf ijs hadden gemaakt, maar eerder een opeenvolging van kristallijne transformaties door vier fasen van ijs met steeds toenemende dichtheid:van ijs Ih naar ijs IX naar ijs XV naar ijs XIII. Er was helemaal geen bewijs van amorf ijs.

"Ik heb veel van deze monsters altijd gemaakt door ijs bij lage temperatuur te comprimeren, " zei co-auteur Dennis Klug van de National Research Council of Canada, het lab dat oorspronkelijk de door druk geïnduceerde amorfisatie van ijs in 1984 ontdekte. "Ik heb nog nooit eerder gezien dat dit druk-temperatuurpad resulteerde in een reeks kristallijne vormen zoals deze."

"Als de gegevens van ons experiment waar waren, het zou betekenen dat amorf ijs niet gerelateerd is aan vloeibaar water, maar eerder een onderbroken transformatie is tussen twee kristallijne fasen, een belangrijke afwijking van de algemeen aanvaarde theorie, ’ voegde Klug eraan toe.

Aanvankelijk, het team dacht dat hun observatie het resultaat was van een besmet monster.

Nog drie experimenten met een frisse, zorgvuldig behandelde monsters op SNAP leverden identieke resultaten op, herbevestigen van de structurele transformatievolgorde zonder vorming van amorf ijs.

De sleutel was de langzame snelheid van drukverhoging en het verzamelen van gegevens bij een lagere druk waardoor de ijsstructuur kon ontspannen en de stabiele ijs IX-vorm werd. Eerdere experimenten gingen snel over de ijs IX-structuur zonder ontspanning, dit resulteerde in de amorfe fase.

Al 35 jaar, Wetenschappers hebben de eigenschappen van superkoud water onderzocht en zijn op zoek naar wat bekend staat als het tweede kritieke punt, die is begraven in de vaste ijsfasen. Maar deze resultaten stellen het bestaan ​​ervan in vraag. "De relatie tussen drukgeïnduceerd amorf ijs en water is nu in twijfel, en het tweede kritieke punt bestaat misschien niet eens, ' zei Tulk.

"De resultaten van dit artikel zullen de basis vormen van de analyse van toekomstige studies van amorfe ijsfasen tijdens komende experimenten die bij de SNS worden gedaan, " hij voegde toe.

Co-auteurs van de studie getiteld, "Afwezigheid van amorfe vormen wanneer ijs bij lage temperatuur wordt samengeperst, " inclusief Chris A. Tulk en Jamie J. Molaison van ORNL; Adam Makhluf en Craig E. Manning van UCLA; en Dennis D. Klug van de NRC van Canada.