Het ijs dat we in onze diepvriesdranken mengen, is een gecompliceerde samenstelling, vol met vreemde moleculaire inconsistenties die wetenschappers nog steeds moeilijk kunnen begrijpen. Het onderzoeken van de fysica achter de vreemde microstructuur van waterijs kan ons helpen meer te weten te komen over andere schijnbaar niet-gerelateerde geavanceerde materialen en hun kwantumtoestanden.

Daarom is Jonathan Morris, een assistent-professor natuurkunde aan de Xavier University, en Joseph Lanier, een student-onderzoeker, werken samen met postdoctoraal onderzoeksassistent Anjana Samarakoon van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) om een ​​enkel kristal van bevroren water te onderzoeken. specifiek, het team wil meer weten over ionische defecten, mysterieuze moleculaire anomalieën die soms voorkomen in de anders kristallijne structuur van ijs. Als ze erachter kunnen komen hoeveel energie het kost om deze ionische defecten te produceren, ze kunnen die informatie misschien gebruiken om modellen te maken om soortgelijke inconsistenties in de moleculaire structuren van andere materialen te begrijpen.

"We willen een beter begrip krijgen van de fundamentele fysica die het gedrag van waterijs dicteert, en hopelijk die kennis gebruiken om meer te leren over andere verbindingen en toestanden van materie, ' zei Morris.

Over het algemeen, ijs gedraagt ​​zich volgens een reeks richtlijnen die de Bernal-Fowler-regels worden genoemd (ook bekend als de ijsregels), die meestal kan voorspellen hoe moleculen in bevroren water zich zullen gedragen. Bijvoorbeeld, de Bernal-Fowler-regels stellen dat tussen twee zuurstofatomen, er zal één waterstofatoom zijn, en rond een zuurstofatoom, er zullen twee waterstofatomen zijn. Maar echt ijs is niet altijd zo georganiseerd. Soms, watermoleculen in ijs misdragen zich, het verkrijgen of verliezen van waterstofatomen om unieke ionen te worden in tegenstelling tot hun naburige watermoleculen.

"In plaats van twee waterstofatomen naast een individueel zuurstofatoom, je zou kunnen eindigen met drie, die een H . creëert ₃ O ⁺ ion, of je zou kunnen eindigen met slechts één waterstof naast een zuurstof, wat zou een OH . zijn ^- ion. Deze defecten breken lokaal de ijsregels, en we willen graag begrijpen hoe en waarom ze dit doen, ' zei Samarakoen.

Morris legt uit dat meer informatie over deze ionische defecten onderzoekers zou helpen om de fundamentele fysica die dicteert hoe ijs smelt en reageert op elektrische velden beter te begrijpen. Het zou ook licht kunnen werpen op materialen die kwantumgedrag vertonen - zoals kandidaten voor kwantumspin-ijs - die spin-rangschikkingen hebben die analoog zijn aan de waterstofatomen in waterijs.

"Aan de ene kant, we zijn erg geïnteresseerd in het leren van meer over ijs, vooral omdat er veel is dat we niet weten over de microstructuur ervan. Maar we zijn ook geïnteresseerd in ijs omdat de soorten inconsistenties die we zien in zijn moleculaire structuur erg lijken op defecten die we in andere materialen vinden, inclusief enkele kwantumtoestanden, ' zei Morris.

Om deze defecten in ijs en andere materialen beter te begrijpen, Morris, Lanier, en Samarakoon gebruikte de Elastic Diffuse Scattering Spectrometer (CORELLI) en Wide Angular-Range Spectrometer (ARCS) bij ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) om een ​​delicaat kristal van bevroren deuteriumoxide te onderzoeken - ook bekend als "zwaar waterijs" - slechts 4 centimeter lang en 8 millimeter in diameter.

"We gebruikten zwaar water, D2O, omdat de deuteriumatomen een extra neutron in hun kernen hebben in vergelijking met gewone waterstof, waardoor het gemakkelijker is om te observeren met neutronenverstrooiing dan H ₂ O. En omdat zwaar water en gewoon water vergelijkbare atomaire structuren hebben, we kunnen wat we leren over zwaar waterijs gebruiken om hypothesen te bouwen over regulier waterijs, ' zei Morris.

Medewerkers van Helmholz-Zentrum in Berlijn produceerden het kristal, wat betekende dat het koud helemaal van Duitsland naar Oak Ridge moest worden verscheept. Morris en zijn team moesten speciale voorzorgsmaatregelen nemen om ervoor te zorgen dat het niet halverwege de vlucht smolt.

"Het was een hele uitdaging om dat monster deuteriumijs helemaal naar Oak Ridge te krijgen. We moesten het in een droogijscontainer bewaren en het met een speciale luchtdienst verzenden om ervoor te zorgen dat het niet per ongeluk werd vernietigd tijdens zijn reis. We zijn erg blij met hoe succesvol we waren en hoe behulpzaam iedereen bij ORNL is geweest tijdens dit proces, ' zei Morris.

Neutronen zijn perfect voor dit experiment. Ze zijn diep doordringend, waardoor Morris en zijn team zowel een volledig overzicht van de interne microstructuur van het ijskristal konden maken als de energiekenmerken van bevroren watermoleculen die in het ijs trillen, konden volgen. Het CORELLI-instrument van SNS is vooral nuttig voor dit experiment omdat het Morris in staat stelt zich specifiek te concentreren op elastische verstrooiingsgebeurtenissen, waarin neutronen worden verstrooid door de atomen van een monster zonder energie te verliezen of te winnen. Vervolgens, hij kan het nabijgelegen ARCS-instrument gebruiken om dynamisch gedrag te meten, die perfect aansluit bij de statische gegevens die hij en zijn team van CORELLI krijgen.

"Elastische verstrooiingsgebeurtenissen zijn erg belangrijk voor het lokaliseren en bestuderen van ionische defecten in ijs. SNS is uniek omdat we niet alleen elastische van inelastische verstrooiingsgegevens kunnen scheiden met CORELLI, maar we kunnen die resultaten ook verifiëren met ARCS. Dit maakt het uitvoeren van ons experiment zoveel gemakkelijker, ' zei Morris.

Morris, Lanier, en Samarakoon hopen dat de informatie die ze uit deze experimenten verzamelen wetenschappers niet alleen zal helpen waterijs beter te begrijpen, maar ook zal bijdragen aan een beter begrip van andere materialen.

"IJs is een fascinerend materiaal, en wat we hier bij ORNL leren over de ionische defecten, kan ons helpen een zinvolle bijdrage te leveren aan de materiaalwetenschap als geheel, ' zei Lanier.