Vand er allestedsnærværende og tilsyneladende almindelig og har ingen tydelig farve eller lugt. Selvom vi ofte tager vand for givet, er det på ingen måde et simpelt stof. Som en konsekvens af dets kemiske egenskaber er H₂O et af de mest utrolige stoffer, der er i stand til at danne sig til 20 kendte separate krystallinske isfaser. Nu søger forskere at udvide dette antal yderligere.
Ingrid de Almeida Ribeiro, en postdoktorisk forsker inden for kemi, og hendes laboratoriepartnere i Molinero Research Group ved University of Utah’s Department of Chemistry har offentliggjort en undersøgelse i Forløb af National Academy of Sciences Detaljer om deres arbejde, der fremmer videnskaben om amorf is ved hjælp af computersimuleringer.
Ofte karakteriseret som glas, havde amorf is længe været kendt for at optræde i enten en amorf (Low-densitet amorf (LDA) eller høj densitet amorf (HDA) tilstand. En nylig undersøgelse demonstrerede eksistensen af amorf (MDA) is i medium densitet (MDA) gennem påføring af kuglefræsning. Ribeiros arbejde udvidede dette ved at undersøge konsekvenserne af forskydning ud over andre variabler, herunder temperatur og tryk.
Amorf is adskilles fra typisk krystallinsk is ved dens ikke-periodiske atomarrangement. Det er stadig klassificeret som et solidt materiale, som alternativt kan beskrives som “en væske, der har mistet sin evne til at flyde.”
“Tænk på at gå ind i en biograf. Alle sæder er stilt op i perfekte rækker og søjler. Det er som krystallinsk is – atomer arrangeret i et struktureret, gentagende mønster. Nu skal du forestille dig en musikfestival, folk er bare spredt overalt – nogle pakket Tæt sammen, andre med mere plads mellem dem, ingen klar arrangement. Sagde Ribeiro.
“Forestil dig nu en væske, hvor atomer bevæger sig frit. Hvis du skulle fryse den forstyrrede struktur uden at lade atomerne omarrangeres til en krystal, ville du få et glas. Det er som et frosset øjebliksbillede af en væske.”
Manglen på orden i amorf is skaber forskellige lokale miljøer, hvorfor LDA og HDA er så forskellige. I LDA er hvert vandmolekyle omgivet af omkring fire naboer, hvilket giver det en densitet tæt på krystallinsk is. I HDA pakkes vandmolekylerne tættere, med fem til seks naboer, hvilket øger dens densitet med 25%.
Til sammenligning sidder flydende vand mellem disse to, med en densitet 9% højere end is ved omgivelsestrykket. For at komprimere flydende vand til densiteten af HDA, har du brug for utrolige 3.000 atmosfærer af tryk – mere end det dobbelte af det tryk, der findes i bunden af havet.
Det, der begejstrer forskere som Ribeiro, er “kløften” mellem LDA og HDA, der nu kan “udfyldes” med nye briller produceret ved kuglefræsning eller forskydningsteknikker.
”Indtil nu blev det antaget, at der kun kunne eksistere vand i enten amorfe former med lav eller høj densitet, med intet derimellem,” sagde Ribeiro. “Vores undersøgelse viste, at forskydning resulterer i en omarrangement af vandmolekylerne i nye briller, der har densiteter mellem LDA og HDA.”
Hendes forskning blev overvåget af Valeria Molinero, en fremtrædende professor i U’s Department of Chemistry og en førende ICE -forsker, og blev gennemført med andre medlemmer af Molinero -gruppen og forskere ved Argonne National Laboratory i Illinois.
En central komponent i undersøgelsen modellerede, hvad der sker med amorf is, når den gennemgår “boldfræsning.” I denne proces er en prøve af is sammen med kugler i rustfrit stål begrænset inde i en forseglet krukke og opbevares ved en temperatur på 77 kelvin eller -321 ° F. Skibet rystes kraftigt og udsætter ismaterialet for komprimering, spændinger og forskydningskræfter. Denne proces var nøglen til at “låse op” MDA -is og tilbyder en ny vej for forskere til at undersøge vandets egenskaber i endnu større grad end før.
Ved lave temperaturer forhindrer forskydning af ismolekyler i at ombestille sig til mere stabile, krystallinske strukturer. Dette skaber et amorf, glaslignende stof efter forskydning. Som et resultat kan konventionelle isobariske (konstante tryk) afkølingsmetoder ikke opnå MDA -densiteter – men forskydningsprocesser som kuglefræsning kan.
Med støtte fra U’s Center for High Performance Computing gennemførte Molineros team en række forskydningsdeformationssimuleringer. En simulering involverede iskorn, der indeholdt op til 4 millioner vandmolekyler gennem en forskydningshastighed på 100 millioner gange i sekundet. Gennem simuleringer som disse fandt forskerteamet flere veje til at syntetisere MDA – ikke kun fra krystallinsk is, men også fra amorfe former som LDA og HDA.
Disse fund kunne hjælpe forskere med bedre at forstå vand under ekstreme forhold, herunder dets dannelse i udenjordisk rum. De giver indsigt i isformationer og strukturer på fjerntliggende måner, såsom Europa og Enceladus, som Orbit Jupiter og Saturn. Med lavt tryk og frigide temperaturer ligner forholdene på disse måner dem, der er oprettet i forskningslaboratorier. Mens vores daglige oplevelse med is involverer dens krystallinske form, er den mest almindelige vandstruktur i hele universet amorf is.
Disse opdagelser er endnu mere spændende, fordi de kunne have anvendelser ud over vandet, der strækker sig til andre materialer med lignende lokale strukturer, såsom carbon, silica og silicium. Ligesom vand kan disse materialer eksistere i flere forskellige amorfe faser og er vidt brugt i industrielle og elektroniske anvendelser.
“Mens boldfræsning er blevet aktivt brugt til at behandle materialer, er denne undersøgelse den første til at tilvejebringe et samlet perspektiv, der inkorporerer forskydning som en ny kontrolvariabel af fasediagrammet for stoffet – en tilgang, der kunne anvendes på mange andre materialer,” Sagde Ribeiro.