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

Modelul demonstrează similitudini în modul în care studiază oamenii și insectele

Modelul de calcul demonstrează similaritatea în cunoașterea împrejurimilor oamenilor și insectelor. Potrivit unui nou studiu de la Universitatea din Sussex, care arată cum oamenii pot...

Cum am creat „furtuna perfectă” pentru evoluția și transmiterea bolilor infecțioase, cum ar fi COVID-19

Potrivit unui cercetător de la Universitatea din Anglia de Est, în majoritatea modurilor noastre, „furtuna perfectă” a fost creată pentru evoluția și transmiterea bolilor...

„Adezivul molecular” crește eficiența și face ca celulele solare perovskite să devină mult mai fiabile în timp

Cercetătorii au folosit „adeziv molecular” auto-asamblat monostrat pentru a consolida interfețele din celulele solare perovskite pentru a le face mai eficiente, stabile și fiabile....

Pastele plate sunt atât de avansate încât se formează în morfuri atunci când sunt fierte

Laboratorul CMU gestionează producția de paste, care își schimbă forma pe măsură ce gătește. Credit: Universitatea Carnegie Mellon Pastele plate ambalate creează ambalare, transport...

Oamenii de știință ai undelor gravitaționale Excelentă nouă metodă de rafinare a constantei Hubble – expansiunea și vârsta universului

O ilustrare a artistului unei perechi unificate de stele neutronice. Credit: Carl Knox, Universitatea OzGrav-Swinburne O echipă de oameni de știință internaționali, condusă de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.