Noua formă de gheață cristalină este decodificată

Ilustrație care arată relațiile dintre celulele de gheață VI și celulele unității XIX vizualizate pe axele lor c, și modificările modelor lor de difracție, cu codarea culorilor roșu pentru gheața XIX și albastru pentru gheața VI. Credit: Uni Innsbruck

Gheața este un material foarte versatil. În fulgi de zăpadă sau cuburi de gheață, atomii de oxigen sunt dispuși hexagonal. Această formă de gheață se numește gheață (gheață I). „Strict vorbind însă, acestea nu sunt de fapt cristale perfecte, ci sisteme dezordonate în care moleculele de apă sunt orientate aleatoriu în direcții spațiale diferite”, explică Thomas Loerting de la Institutul Universitar de Chimie Fizică și Innsbruck, Austria.

Inclusiv gheața I, până acum au fost cunoscute 18 forme de gheață cristaline, care diferă prin dispunerea atomilor lor. Diferite tipuri de gheață, cunoscute sub numele de polimorfe, se formează în funcție de presiune și temperatură și au proprietăți foarte diferite. De exemplu, punctele lor de topire variază cu câteva sute de grade centigrad. „Compacte comparativ cu diamantul și grafitul, ambele sunt fabricate din carbon pur”, explică chimistul.

Soi înghețat

Când gheața convențională este puternic răcită, atomii de hidrogen pot fi reglați periodic în plus față de atomii de oxigen dacă experimentul este efectuat corect. Sub minus 200 de grade Celsius, acest lucru poate duce la formarea așa-numitei gheață XI, în care toate moleculele de apă sunt listate conform unui model specific. Astfel de forme reglementate de gheață diferă de formele neregulate parentale, în special în ceea ce privește proprietățile lor electrice.

Ice Model VI

Gheața model VI, sferele mari roșii și albastre reprezintă atomi de oxigen, sferele mici atomii de hidrogen. Credit: Uni Innsbruck

În lucrarea de față, chimiștii de la Innsbruck se ocupă de forma de gheață mamă VI, care este formată de presiune ridicată, de exemplu în mantaua Pământului. La fel ca gheața hexagonală, această formă de gheață de înaltă presiune nu este un cristal complet reglementat. În urmă cu mai bine de 10 ani, cercetătorii de la Universitatea din Innsbruck au produs o variantă a acestei gheață comandată de hidrogen, care și-a găsit drumul în manuale ca gheața XV.

Schimbând procesul de producție, acum trei ani, echipa lui Thomas Loerting a reușit pentru prima dată să creeze un al doilea formular personalizat pentru gheața VI. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință au încetinit semnificativ procesul de răcire și au crescut presiunea la aproximativ 20 kbar. Acest lucru le-a permis să regleze atomii de hidrogen într-un al doilea mod în rețeaua de oxigen și să producă gheață XIX. “Am găsit dovezi clare la momentul respectiv că era o nouă variantă comandată, dar nu am reușit să clarificăm structura cristalului”. Acum echipa sa a reușit să facă exact asta folosind standardul auriu pentru determinarea structurii – împrăștierea neutronilor.

Structura cristalină este selectată

Pentru a clarifica structura cristalului, trebuia depășit un obstacol tehnic esențial. Într-o investigație care utilizează difracția neutronică, este necesar să se înlocuiască hidrogenul ușor din apă cu deuteriu („hidrogen greu”).

Thomas Loerting

Urmărirea proprietăților gheții și zăpezii: chimistul Thomas Loerting. Credit: Uni Innsbruck

„Din păcate, acest lucru schimbă și intervalele de timp pentru comandă în procesul de producere a gheții”, spune Loerting. „Prin doctorat studentul Tobias Gasser a avut atunci ideea esențială de a adăuga câteva procente de apă normală la apa grea – ceea ce s-a dovedit a accelera foarte mult clasamentul. ”

Cu gheața astfel obținută, oamenii de știință de la Innsbruck au putut în cele din urmă să măsoare datele neutronice în instrumentul HRPD de înaltă rezoluție de la laboratorul Rutherford Appleton din Anglia și să rezolve cu exactitate structura cristalină a gheții XIX. Acest lucru a necesitat găsirea celei mai bune structuri cristaline de la câteva mii de candidați din datele măsurate – la fel ca și căutarea unui ac într-un fân. Un grup de cercetare japonez a confirmat rezultatul Innsbruck într-un alt experiment în condiții de presiune diferite. Ambele lucrări sunt acum publicate împreună în Comunicări despre natură.

Șase forme de gheață descoperite la Innsbruck

În timp ce gheața și zăpada convenționale sunt abundente pe Pământ, nicio altă formă nu se găsește pe suprafața planetei noastre – cu excepția laboratoarelor de cercetare. Cu toate acestea, gheața de înaltă presiune formele de gheață VI și VII se găsesc ca incluziuni în diamante și, prin urmare, au fost adăugate pe lista mineralelor de către Asociația Internațională de Mineralogie (IMA). Multe varietăți de gheață de apă se formează în infinitul spațiului în condiții speciale de presiune și temperatură. Ele se găsesc, de exemplu, în corpuri cerești precum JupiterLuna Ganymede, care este acoperită de straturi de diferite soiuri de gheață.

Gheața XV și gheața XIX reprezintă prima pereche de frați din fizica gheții în care rețeaua de oxigen este aceeași, dar modelul de aranjare a atomilor de hidrogen este diferit. “De asemenea, înseamnă că pentru prima dată va fi posibil să se realizeze tranziția între două forme de gheață reglementate în experimente”, Thomas Loerting este încântat să raporteze. Începând cu anii 1980, cercetătorii de la Universitatea din Innsbruck, Austria, sunt acum responsabili de descoperirea a patru forme de gheață cristalină, precum și a două forme amorfe.

Referință: 18 februarie 2021, Comunicări despre natură.
DOI: 10.1038 / s41467-021-21161-z

Activitatea de cercetare actuală a fost realizată în cadrul Platformei de cercetare a materialelor și nanoștiinței de la Universitatea din Innsbruck și a fost susținută financiar de Fondul austriac de știință FWF.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

„Tirani” adolescenți – Descendenții dinozaurului sălbatic – Explicați diversitatea dinozaurilor?

Noi cercetări sugerează că generații de dinozauri carnivori gigantici, cum ar fi Tyrannosaurus rex, și-ar fi remodelat radical comunitățile cu specii mai mici concurente....

Limitele de date pot fi șterse cu antene optice noi și „inele luminoase”

Cercetătorii de la Universitatea din California, Berkeley, au găsit o nouă modalitate de a valorifica proprietățile undelor de lumină care pot crește cantitatea de...

Primul studiu științific al eficacității vaccinului COVID-19 din lumea reală – rezultatele aici

Primul studiu pe scară largă, evaluat de colegi, cu privire la eficacitatea sa din lumea reală COVID-19 Vaccinul a fost publicat de Institutul de...

„Cel mai dur grup de găuri negre” detectat de undele gravitaționale ar putea fi de fapt fuziunea stelelor din Boson

Reprezentare artistică a coliziunii a două stele de boson cu unde gravitaționale emise. Credite: Nicolás Sanchis-Gual și Rocío García-Souto O echipă internațională condusă de...

Procesul de tratament în rara morgă „carapace noroioase” a mumiei egiptene a fost expus – acesta este un caz de eroare

O figură mumificată și un sicriu în colecția Nicholson a Muzeului Aripii Chau Chuck de la Universitatea din Sydney. O persoană mumificată înfășurată...

Newsletter

Subscribe to stay updated.