Upptäckten av ny is kan förändra vår förståelse av vatten

Forskare från UCL och University of Cambridge har upptäckt en ny typ av is som ser mer ut som flytande vatten än någon annan känd is och som kan skriva om vår förståelse av vatten och dess många anomalier.

Den nyupptäckta isen är amorf, det vill säga dess molekyler är i en oorganiserad form, inte perfekt ordnade som de är i vanlig kristallin is. Amorf is, även om den är sällsynt på jorden, är den huvudsakliga typen av is som finns i rymden. I den kallare miljön i rymden har is faktiskt inte tillräckligt med värmeenergi för att bilda kristaller.

För studien publicerad i tidskriften Vetenskapforskargruppen använde en process som kallas kulfräsning och skakade kraftigt vanlig is med stålkulor i en burk kyld till -200 grader Celsius.

De upptäckte att, snarare än att sluta med små bitar av vanlig is, producerade processen en ny form av amorf is som, till skillnad från all annan känd is, hade samma densitet som flytande vatten och vars tillstånd liknade vatten i fast form. De kallade den nya isen “medeldensitet amorf is” (MDA).

Teamet föreslog att MDA (som ser ut som ett fint vitt pulver) kunde existera inuti det yttre solsystemets ismånar, som tidvattenkrafter gasjättar som Jupiter och Saturnus kan utöva skjuvkrafter liknande de som skapas av kulmalning på vanlig is. Dessutom fann teamet att när MDA värmdes upp och omkristalliserades, släppte det en extraordinär mängd värme, vilket betyder att det kunde utlösa tektoniska rörelser och “isbävningar” i inlandsisen på flera kilometer tjock på månar som Ganymedes.

Huvudförfattaren professor Christoph Salzmann (UCL Chemistry) sa: “Vatten är grunden för allt liv. Vår existens beror på det, vi lanserar rymduppdrag på jakt efter det, men från ett vetenskapligt sett är det dåligt förstådd.

“Vi känner till 20 kristallina former av is, men bara två huvudtyper av amorf is har upptäckts tidigare, kända som hög densitet och amorf is med låg densitet. Det finns en enorm densitetsgap mellan dem och den accepterade visdomen är att det inte finns någon is i den densitetsgapet. Vår studie visar att densiteten av MDA ligger just inom denna densitetsgap och detta fynd kan ha långtgående konsekvenser för vår förståelse av flytande vatten och dess många anomalier.”

Densitetsskillnaden mellan känd amorf is har fått forskare att antyda att vatten faktiskt existerar som två vätskor vid mycket kalla temperaturer och att dessa två vätskor teoretiskt vid en viss temperatur skulle kunna existera samtidigt, en typ som flyter ovanför den andra, till exempel när man blandar olja och vatten. Denna hypotes har visats i en datorsimulering, men inte bekräftad genom experiment. Forskarna säger att deras nya studie kan väcka frågor om giltigheten av denna idé.

Professor Salzmann sa: “Befintliga vattenmodeller bör testas på nytt. De måste kunna förklara förekomsten av amorf is med medeldensitet. Detta kan vara utgångspunkten för att äntligen förklara flytande vatten. .”

Forskarna föreslog att den nyupptäckta isen kunde vara det sanna glasartade tillståndet för flytande vatten, det vill säga en exakt kopia av flytande vatten i fast form, på samma sätt som fönsterglas är fast form av flytande kiseldioxid. Ett annat scenario är dock att MDA inte alls är glasartad utan är i ett starkt klippt kristallint tillstånd.

Medförfattare professor Andrea Sella (UCL Chemistry) sa: “Vi har visat att det är möjligt att skapa något som ser ut som ett slags stop-motion-vatten. Detta är en oväntad och ganska fantastisk upptäckt. .”

Huvudförfattaren Dr Alexander Rosu-Finsen, som utförde det experimentella arbetet vid UCL Chemistry, sa: “Vi skakade isen som galningar under en lång tid och förstörde kristallstrukturen. Istället för att sluta med mindre isbitar insåg vi att vi hade hittat en helt ny sorts sak, med anmärkningsvärda egenskaper.”

Genom att efterlikna kulfräsningsproceduren via upprepad slumpmässig klippning av kristallin is skapade teamet också en datormodell av MDA. Dr Michael Davies, som utförde datormodellering under sin doktorsexamen. student vid ICE (Interfaces, Catalytic and Environmental) laboratoriet vid UCL och University of Cambridge, sa: “Vår upptäckt av MDA väcker många frågor om naturen hos flytande vatten och det är därför mycket viktigt att förstå den exakta atomstrukturen av MDA .”

Vatten har många anomalier som länge har förbryllat forskare. Till exempel är vattnet som maximalt vid 4 grader Celsius och blir mindre tätt när det fryser (så att isen flyter). Dessutom, ju mer du pressar flytande vatten, desto lättare blir det att komprimera, vilket avviker från principerna som gäller för de flesta andra ämnen.

Amorf is upptäcktes först i sin lågdensitetsform på 1930-talet när forskare kondenserade vattenånga på en metallyta kyld till -110 grader Celsius. Dess högdensitetstillstånd upptäcktes på 1980-talet när vanlig is komprimerades till nästan -200 grader Celsius. Även om det är vanligt i rymden, tros amorf is på jorden endast förekomma i de kalla övre delarna av atmosfären.

Kulfräsning är en teknik som används inom flera industrier för att mala eller blanda material, men har inte tidigare använts på is. I studien användes flytande kväve för att kyla en krossskål till -200 grader Celsius och densiteten av krossad kulis bestämdes från dess flytkraft i flytande kväve. Forskarna använde ett antal andra tekniker för att analysera strukturen och egenskaperna hos MDA, inklusive röntgendiffraktion (att titta på mönstret av röntgenstrålar som reflekteras från isen) och Ramanspektroskopi (som tittar på hur isen sprider ljus) vid UCL . Kemi såväl som småvinkeldiffraktion vid UCL Center for Nature-Inspired Engineering för att utforska dess långväga struktur. De har också framgångsrikt replikerat isproduktionsprocessen med medeldensitet i en datorsimulering med hjälp av UCL Kathleen High Performance Computing Facility.

Dessutom använde de kalorimetri för att studera värmen som frigörs när medietdensitet omkristalliserad is kl varmare temperaturer. De fann att om de komprimerade MDA och sedan återuppvärmde den, frigjorde den en förvånansvärt hög mängd energi när den omkristalliserades, vilket visar att H₂O kan vara ett geofysiskt högenergimaterial som kan driva tektoniska rörelser i solsystemets ismånar.