Odkryto egzotyczne kryształy „lód XIX”

Naukowcy zidentyfikowali dziewiętnastą postać lodu wodnego. Egzotyczne, czworoboczne kryształy tej rzadkiej odmiany lodu, obecnie nazywany lodem XIX [Ice 19], tworzą się w bardzo niskich temperaturach i przy bardzo wysokim ciśnieniu.

Istnieje tylko w eksperymentach laboratoryjnych, ale naukowcy twierdzą, że ujawnia informacje na temat innych form lodu, które można znaleźć głęboko w płaszczu Ziemi oraz na bardzo zimnych planetach i księżycach.

„Aby nazwać nową formę lodu, należy dokładnie wyjaśnić, czym jest struktura kryształu” – powiedział główny badacz Thomas Loerting, profesor chemii fizycznej na Uniwersytecie w Innsbrucku w Austrii. Oznacza to ustalenie najprostszej powtarzającej się struktury kryształu, w której wszystkie atomy znajdują się w tej strukturze oraz ustalenie symetrii struktury kryształu, powiedział Loerting.

„Tylko wtedy, gdy wszystko to jest znane, możesz nazwać swój lód… lód XIX to teraz nazwa nowej fazy lodu odkrytej przez nas” – powiedział.

Artykuł Loertinga i jego współpracowników opisujący nową formę lodu został opublikowany 18 lutego w czasopiśmie Nature Communications, wraz z badaniami naukowców z Japonii, którzy zweryfikowali odkrycie.

Nowy lód

Sześciościenne płatki śniegu, odzwierciedlają sześciokątny układ atomów tlenu w kryształach lodu wodnego, które je tworzą.

Ale regularne sześcioboczne kryształy lodu – lód I – jest w rzeczywistości tylko jedną z wielu jego form, które są znane jako polimorfizm. Aż do niedawna formalnie zidentyfikowano 18 różnych polimorfów lodu wodnego – chociaż na Ziemi powszechny jest tylko sześcioboczny lód. Chociaż lód może wydawać się prosty, jest to skomplikowana sprawa. Na przykład tylko atomy tlenu w cząsteczkach wody sześciobocznych kryształów lodu tworzą sześciokątny kształt, podczas gdy ich atomy wodoru są losowo zorientowane wokół nich. To sprawia, że ​​lód I jest „nieuporządkowanym” lub „sfrustrowanym” lodem w terminologii lodów. Jedną z właściwości takich nieuporządkowanych lodów jest to, że mogą odkształcać się pod wpływem ciśnienia: „To jest powód, dla którego płyną lodowce” – powiedział Loerting.

W przeciwieństwie do tego, atomy wodoru w kilku innych odmianach polimorficznych lodu również mają swoje własne wzory kryształów i dlatego są nazywane „uporządkowanymi przez wodór” lub „H-uporządkowanymi”. W przeciwieństwie do nieuporządkowanych lodów, lody h-uporządkowane są bardzo kruche i raczej pękają niż deformują się, powiedział.

Pod tym względem nowo zidentyfikowana dziewiętnasta forma lodu jest lodem o h-uporządkowanym; w rzeczywistości jest to nieuporządkowana forma lodu o h-uporządkowaniu, zwana lodem VI, która ma losowy układ atomów wodoru. I lód VI ma również jeszcze inny polimorf o h-uporządkowaniu, lód XV, w którym atomy wodoru są ułożone w zupełnie inny sposób.

„lód VI, lód XV i lód XIX są bardzo podobne pod względem gęstości [ponieważ] mają ten sam rodzaj sieci atomów tlenu” – powiedział Loerting. „Ale różnią się położeniem atomów wodoru”. Po raz pierwszy odkryto taką zależność między polimorfami lodu, która mogłaby umożliwić eksperymentom badanie przejść między jedną formą a drugą – powiedział.

Struktura krystaliczna

Oto model lodu VI, z dużymi czerwonymi i niebieskimi kulkami reprezentującymi atomy tlenu, a małymi kulkami reprezentującymi atomy wodoru. (Zdjęcie: Uni Innsbruck)

Zespół Loertinga po raz pierwszy stworzył lód XIX w swoich eksperymentach laboratoryjnych trzy lata temu, spowalniając proces chłodzenia lodu XV do około minus 170 stopni Celsjusza (minus 274 stopni Fahrenheita) i znacznie zwiększając ciśnienie do około 2 gigapaskali. Jednak szczegóły struktury krystalicznej wymykały się im, dopóki nie byli w stanie zbadać ich za pomocą procesu zwanego dyfrakcją neutronów, która może ujawnić strukturę atomową materiału przez odbijanie od niego strumienia neutronów i badanie wynikowego wzoru dyfrakcyjnego.

W normalnych warunkach dyfrakcja neutronów wymaga wymiany wody w próbce na ciężką wodę, która zawiera dodatkowe neutrony. Jednak czysta ciężka woda była niepraktyczna w eksperymentach na lodzie XIX, ponieważ zamarza znacznie wolniej, powiedział Loerting. Przełomem było dozowanie ciężkiej wody frakcją zwykłej lekkiej wody, dzięki czemu woda szybko zamarzała, ale nadal umożliwiała dyfrakcję neutronów.

Loerting wyjaśnił, że struktura lodu wodnego jest kluczem do natury wiązania wodorowego, którego w pełni jeszcze nie rozumiemy. Jest to również ważne dla zrozumienia ciał niebieskich, takich jak lodowe olbrzymy Uran i Neptun oraz lodowe księżyce Jowisza (w tym Europa, Io i Ganimedes), gdzie znajdują się inne polimorfy lodu.

„W astrofizyce bardzo interesujące jest poznanie gęstości i właściwości faz lodowych, aby móc zrozumieć zachowanie lodowych płaszczy lub lodowych rdzeni tych ciał niebieskich” – powiedział.

I wciąż istnieje wiele innych polimorfów lodu. Odkrycie lodu XIX powoduje, że sześć polimorfów lodu odkryto na Uniwersytecie w Innsbrucku od lat 80, XX wieku, a Loerting ma nadzieję, że jego zespół odkryje również następny. „Wyścig o lód XX rozpoczął się wczoraj i mam nadzieję, że moja grupa badawcza będzie tą, która go odkryje” – powiedział.

Źródła: Tom Metcalfe

Structural characterization of ice XIX as the second polymorph related to ice VI

Zdjęcia: Simon Dubreuil via Getty Images

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x