Vaak wordt aangenomen dat de glasstructuur van een materiaal de overeenkomstige vloeistof nabootst. Polyamorfisme tussen ijs is gebruikt als richtlijn om de eigenschappen van vloeibaar water op te helderen. Maar hoeveel vormen van amorf ijs zijn er? Begrijpen we hoe metastabiel kristallijn ijs onder hoge druk evolueert naar de thermisch stabiele vorm met lage dichtheid?

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Chuanlong Lin en Wenge Yang van HPSTAR en John S. Tse van de Universiteit van Saskatchewan heeft een meerstaps transformatiemechanisme onthuld met behulp van state-of-the-art tijd-opgeloste in situ synchrotron röntgendiffractie. Een temperatuur/tijd-afhankelijke kinetische route met drie onderscheidende overgangen werd geïdentificeerd in de structurele evolutie van metastabiel kristallijn ijs (ijs VII of ijs VIII) naar het thermodynamisch stabiele ijs I. Deze intermediaire processen concurreren met elkaar. Het eindresultaat is een nevenschikking van deze processen. Het werk is gepubliceerd in PNAS .

Water speelt een cruciale rol bij het ontstaan ​​van het leven op aarde. In de vloeibare fase, het vertoont veel ongewone eigenschappen. In de vaste fase, gewoon ijs vertoont ook diverse faseovergangen bij hoge druk. Veel theoretische en experimentele studies zijn gewijd aan het begrijpen van de onderliggende interconversiemechanismen. Tot dusver, de meeste experimenten waren ex situ metingen op teruggevonden monsters en missen gedetailleerde informatie over de structurele evolutie die gepaard gaat met de transformatie. Eerdere studies werden gehinderd door technische problemen bij het volgen van de snelle structurele verandering over een breed druk- en temperatuurbereik.

in 2017, Lin en zijn collega's hebben de experimentele uitdaging overwonnen. Er is een reeks onderzoeken uitgevoerd om ijsovergangen te onderzoeken door in situ tijdsopgeloste röntgendiffractie te combineren, en drukregeling op afstand met verschillende hellingssnelheden binnen een lagetemperatuur-cryostaat. Dit vermogen maakte de onderdrukking van thermisch aangedreven kristallijn-kristallijne overgangen mogelijk [ PNAS 115, 2010-2015(2018)]. Belangrijke inzichten in de complexiteit van de poly-amorfe transformaties werden verkregen, zoals de kinetisch gecontroleerde tweestaps amorfisatie in ijs Ih [Phys. ds. Lett. 119, 135701(2017)] en de succesvolle onderneming in het niemandsland [Phys. ds. Lett. 121, 225703(2018)].

Nutsvoorzieningen, ze proberen te beantwoorden wat precies de aard is van de amorf-amorfe fasetransformatieprocessen? Met behulp van de nieuw ontwikkelde technieken, ze verkenden het "spiegel"-proces, d.w.z., omgekeerde transformatie van een metastabiel kristallijn ijs met hoge dichtheid (d.w.z. ijs VII of ijs VIII) naar het omgevingsstabiele ijs I. Ze identificeerden de temperatuur/tijd-afhankelijke kinetische routes en karakteriseerden het samenspel/concurrentie tussen de hoge dichtheid amorfe (HDA)-lage dichtheid amorfe (LDA) overgang en herkristallisatie. In tegenstelling tot eerder gerapporteerde ijs VII (of ijs VIII)-LDA-ijs I-transformatiesequenties, tijdsopgeloste metingen tonen een proces in drie stappen:initiële transformatie van ijs VII naar HDA, gevolgd door een HDA-LDA-overgang, en vervolgens kristallisatie van LDA in ijs I. Zowel de amorfisatie van ijs VII als de overgang van HDA naar LDA vertonen onderscheidende thermische activeringsmechanismen. aanzienlijk, beide processen vertonen het Arrhenius-gedrag met een temperatuurafhankelijke tijdsduur (τ) en een 'overgangstemperatuur' rond de 110-115 K.

Grootschalige moleculair-dynamische berekeningen ondersteunen ook hun experimentele bevindingen. Verder, het laat zien dat de transformatie van HDA naar LDA continu is met een groot dichtheidsverschil en aanzienlijke verplaatsingen van water op nanoschaal met zich meebrengt. Deze studie presenteert een nieuw perspectief op de metastabiliteit en complexiteit bij het vormgeven van kinetische routes van ijsovergang.