Planetforskaren Dr. Helen Maynard-Casely och medarbetare har för första gången rapporterat hur fast metan och kväve expanderar som svar på temperaturförändringar och löst en historisk tvetydighet i samband med kvävets struktur.

Studien var inspirerad av New Horizons-uppdraget, som på sin förbiflygning av Pluto för fem år sedan, upptäckte glaciärer av fast metan och kväve på dvärgplanetens yta.

I forskning publicerad i IUCrJ-tidskriften, de gav också bevis på oväntade förändringar i orienteringen av kornen av fast metan och kväve vid uppvärmning, vilket tydde på att kornen kunde växa.

Pluto, som lutar till 120 grader på sin axel, upplever säsongsbetonade temperaturvariationer från mellan 24 till 54 Kelvin (-250 till -220 Celsius) på sin 248 år långa resa runt solen.

"Det faktum att metan- och kvävemolekyler kan flöda vid så extremt låga temperaturer har att göra med hur metan- och kvävemolekylerna är ordnade i sina kristallstrukturer, vilket är anledningen till att kristallografi kanske kan svara på frågor om dessa ovanliga landskap, sa Maynard-Casely.

"Under de varmare årstiderna av Pluto, fortfarande ca -220 C, både metan- och kvävemolekylerna roterar fritt i de fasta ämnena - molekylerna är inte bundna ihop särskilt bra, " Hon sa.

"Studier av de mekaniska egenskaperna hos dessa material och mycket låga temperaturer är verkligen utmanande, så det saknas användbar information för de ovanliga förhållandena på de yttre planetkropparna."

Maynard-Casely, som studerar ytorna på de yttre isiga planeterna och deras månar, återskapar dessa förhållanden med Wombats högintensitetsdiffraktometer och kryogena ugnar. Hon genomförde den termiska expansionsstudien av metan och kväve eftersom det inte hade gjorts tidigare.

Förändringar i densiteten hos båda molekylerna anses vara användbara för att förklara Plutos glaciologi.

Det som förväntades bli en enkel kristallografistudie av den termiska expansionen vid ett intervall av temperaturer hade några oväntade resultat.

"Kväve har faktiskt två kristallstrukturer i det temperaturintervall som ses på Pluto, och jag blev förvånad över att den mest accepterade modellen för alfaformen med lägre temperatur inte passade våra data. Det visade sig att detta är ett ämne som aldrig har lösts sedan 1970-talet, även om den mest citerade modellen av enhetscellen är den asymmetriska P213-rymdgruppen med fyra kubiska molekyler, sa Maynard-Casely.

Data samlades in om Wombat på ytterligare ett prov, sedan testades fem olika möjliga strukturer igen detta.

"Datan passar Pa3̅ rymdgruppen, där molekylens centrum ligger vid ursprunget till kristallstrukturen. Detta är viktigt eftersom rymdgruppen påverkar de fysiska egenskaperna."

I den alternativa modellen är kväveatomerna förskjutna från ursprunget.

"En struktur i rymdgruppen P213 kan vara pyroelektrisk, vilket innebär att det kan frigöras energi när du värmer upp den. Detta skulle vara relevant för glaciologi men Wombat-data tyder på att så inte är fallet, sa Maynard-Casely.

"Kvävehistorien är verkligen intressant eftersom molekylerna har förmågan att svalna till en ordnad struktur, som är alfa-kvävefasen och vid denna punkt är det ett stort volymfall, " förklarade Maynard-Casely.

"Medan vid en något högre temperatur, runt 44 Kelvin, kvävemolekylerna roterar fritt i plastiskt tillstånd."

Fas I av metanet beskrivs också som en plastisk fas, där molekylernas svagt samverkande natur och orienteringsfrihet ansågs ge en mekanisk mjukhet.

Forskningen motiverades av de slående bilderna av Plutos yta som togs av New Horizons-uppdraget för fem år sedan, som föreställde höga isiga berg omgivna av lägre terräng med skenbart flytande drag.

"Tanken att Pluto är en död värld är borta. New Horizons har hittat bevis på att dvärgplaneten har varit geologiskt aktiv under hela sitt 4 miljarder år långa liv."

"Det var också intressant att se hur lite den vätebundna strukturen, vatten, expanderat över samma temperaturområde, sa Maynard-Casely.

"Du ser vatten som en nästan rak linje i datadiagrammet, Metan och kväve har en betydande expansion vid stigande temperaturer. " Hon sa.