Een fascinerende stof met unieke eigenschappen, ijs heeft de mens al sinds mensenheugenis geïntrigeerd. In tegenstelling tot de meeste andere materialen, ijs bij zeer lage temperatuur is niet zo geordend als het zou kunnen zijn. Een samenwerking tussen de Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), het Abdus Salam Internationaal Centrum voor Theoretische Fysica (ICTP), het Instituut voor Natuurkunde Rosario (IFIR-UNR), met de steun van het Istituto Officina dei Materiali van de Italiaanse Nationale Onderzoeksraad (CNR-IOM), nieuwe theoretische doorbraken gemaakt over de redenen waarom dit gebeurt en over de manier waarop een deel van de ontbrekende orde kan worden hersteld. In die geordende toestand heeft het team van wetenschappers een relatief obscure en toch fundamentele eigenschap van ijs op zeer lage temperatuur beschreven:ferro-elektriciteit. De resultaten, gepubliceerd in PNAS , zich waarschijnlijk uitstrekken tot ijsoppervlakken, een mogelijkheid die relevant zou kunnen zijn voor de agglomeratie van ijsdeeltjes in de interstellaire ruimte.

"In een ideaal geordend stuk ijs zouden de waterstofatomen van elk watermolecuul in dezelfde richting moeten wijzen, als soldaten in een peloton die voor zich uit kijken, " legt Alessandro Laio uit, natuurkundige van SISSA en ICTP. "Als dat zo was, ijs zou een macroscopische elektrische polarisatie vertonen - het zou ferro-elektrisch zijn. In plaats daarvan, watermoleculen in ijs, zelfs bij zeer lage temperaturen, gedraag je als onhandelbare soldaten, en ze kijken allemaal in verschillende richtingen."

Dit afwijkende gedrag, experimenteel ontdekt in de jaren dertig, werd onmiddellijk en beroemd verklaard door Linus Pauling:het gebrek aan discipline is een gevolg van de 'ijsregel'-beperking - elk zuurstofatoom zou op elk moment twee en slechts twee protonen moeten hebben om het H te maken ₂ O. De moeilijke kinetiek die door die beperking wordt gecreëerd, zorgt ervoor dat het bestelproces oneindig langzaam wordt, zoals in een peloton waar elke soldaat vier buren had en twee handen op de schouders van twee van hen moest houden.

"Zonder onzuiverheden of gebreken, die een onthullende rol bleek te spelen, men zou vandaag nog steeds niet weten of protonenorde en ferro-elektriciteit van kristallijn ijs in bulk een reële mogelijkheid of een verzinsel van de verbeelding is, omdat noch experimenten noch simulaties de door ijsregels gegenereerde kinetische vertraging konden overwinnen, " wijst Erio Tosatti op, natuurkundige van SISSA, ICTP en CNR-IOM Democritos.

onzuiverheden, zoals een KOH die H . vervangt ₂ O, zijn in feite bekend om het bestelproces te laten kiemen en ijs om geordend en ferro-elektrisch te worden bij zeer lage temperatuur, hoewel slechts gedeeltelijk en traag. Alweer, de 'ijsregel' werd vermoed achter de traagheid van dit proces te zitten, maar hoe dat precies werkte, was niet echt bekend.

Samen met Jorge Lasave en Sergio Koval van de IFIR-UNR in Argentinië, beiden ICTP geassocieerde leden, Alessandro Laio en Erio Tosatti ontwierpen een theoretisch model en een strategie om het gedrag van zowel puur als gedoteerd ijs te verklaren.

"Volgens dit model " leggen de wetenschappers uit, "wanneer een onzuiverheid is geïntroduceerd in een aanvankelijk niet-evenwichtige, ongeordende toestand bij lage temperatuur, het fungeert als een zaadje voor de geordende fase, maar op een eigenaardige manier:niet alle 'soldaten' rond de onzuiverheid beginnen in de juiste richting te kijken, maar alleen die voor of achter de onreinheid. Dus, aan het einde van het proces zal alleen een reeks soldaten binnen het peloton worden besteld." Dit zeer atypische proces heeft veel van de kenmerken die het trage en onvolledige begin van ferro-elektrische orde in echt gedoteerd ijs kunnen verklaren.

"Hoewel de studie voorlopig beperkt is tot bulkijs, " Tosatti en Laio besluiten, "het benadrukte mechanisme zal zich waarschijnlijk uitstrekken tot ijsoppervlakken, waar reeksen van geordende protonen konden kiemen bij lage temperaturen, het verklaren van een lang bekende kleine hoeveelheid lokale ferro-elektrische polarisatie, een fenomeen dat ook wordt genoemd als mogelijk relevant voor de agglomeratie van ijsdeeltjes in de interstellaire ruimte."