Illustration som visar förhållandet mellan isens VI- och XIX-enhetsceller sett längs deras c-axlar, och skillnaderna i deras diffraktionsmönster, med färgkodning röd för is XIX och blå för is VI. Kredit:Uni Innsbruck
Tre år sedan, kemister vid universitetet i Innsbruck hittade bevis för existensen av en ny variant av is. Tills dess, 18 typer av kristallin is var kända. Teamet som leds av Thomas Loerting rapporterar nu in Naturkommunikation om belysning av kristallstrukturen hos is XIX med användning av neutrondiffraktion.
Is är ett mångsidigt material. I snöflingor eller isbitar, syreatomerna är ordnade hexagonalt. Denna isform kallas is en (is I). "Strängt talat, dock, det här är faktiskt inte perfekta kristaller, men oordnade system där vattenmolekylerna är slumpmässigt orienterade i olika rumsliga riktningar, " förklarar Thomas Loerting från Institute of Physical Chemistry vid universitetet i Innsbruck, Österrike. Inklusive is I, 18 kristallina former av is var kända hittills, som skiljer sig i arrangemanget av sina atomer. De olika typerna av is, känd som polymorfer, form beroende på tryck och temperatur och har mycket olika egenskaper. Till exempel, deras smältpunkter skiljer sig med flera hundra grader Celsius. "Det är jämförbart med diamant och grafit, som båda är gjorda av rent kol, " förklarar kemisten.
Isig variation
När konventionell is I kyls kraftigt, väteatomerna kan ordna sig periodiskt utöver syreatomerna om experimentet utförs korrekt. Under minus 200 grader Celsius, detta kan leda till bildandet av så kallad is XI, där alla vattenmolekyler är ordnade enligt ett specifikt mönster. Sådana ordnade isformer skiljer sig från de oordnade föräldraformerna, särskilt i deras elektriska egenskaper. I det pågående arbetet, Innsbruck-kemisterna behandlar moderformen is VI, som bildas vid högt tryck, till exempel i jordens mantel. Som sexkantig is, denna högtrycksform av is är inte en helt ordnad kristall.
För mer än 10 år sedan, forskare vid universitetet i Innsbruck producerade en vätebeställd variant av denna is, som hittade sin väg in i läroböcker som is XV. Genom att ändra tillverkningsprocessen, för tre år sedan lyckades Thomas Loertings team för första gången skapa en andra beställd form för is VI. Att göra detta, forskarna bromsade avsevärt nedkylningsprocessen och ökade trycket till cirka 20 kbar. Detta gjorde det möjligt för dem att ordna väteatomerna på ett andra sätt i syregittret och producera is XIX. "Vi hittade tydliga bevis vid den tiden att det är en ny beställd variant, men vi kunde inte belysa kristallstrukturen." Nu har hans team lyckats göra just det genom att använda guldstandarden för strukturbestämning - neutrondiffraktion.
Modell av is VI, de stora röda och blå sfärerna representerar syreatomer, de små sfärerna väteatomer. Kredit:Uni Innsbruck
Kristallstruktur löst
För att förtydliga kristallstrukturen, ett väsentligt tekniskt hinder måste övervinnas. I en undersökning med neutrondiffraktion, det är nödvändigt att ersätta det lätta vätet i vatten med deuterium ("tungt väte").
"Tyvärr, detta ändrar också tidsskalorna för beställning i istillverkningsprocessen, " säger Loerting. "Men Ph.D. Eleven Tobias Gasser fick då den avgörande idén att tillsätta några procent av normalt vatten till det tunga vattnet – vilket visade sig påskynda beställningen oerhört." Med den is som erhållits på detta sätt, forskarna från Innsbruck kunde äntligen mäta neutrondata på det högupplösta HRPD-instrumentet vid Rutherford Appleton Laboratory i England och mödosamt lösa isens kristallstruktur XIX. Detta krävde att man hittade den bästa kristallstrukturen av flera tusen kandidater från de uppmätta data - ungefär som att söka efter en nål i en höstack. En japansk forskargrupp bekräftade Innsbruck-resultatet i ett annat experiment under olika tryckförhållanden. Båda tidningarna har nu publicerats gemensamt i Naturkommunikation .
Spåra egenskaperna hos is och snö:kemisten Thomas Loerting. Kredit:Uni Innsbruck
Sex isformer upptäcktes i Innsbruck
Medan konventionell is och snö finns i överflöd på jorden, inga andra former finns på ytan av vår planet - förutom i forskningslaboratorier. Dock, högtrycksformerna is VI och is VII finns som inneslutningar i diamanter och har därför lagts till på minerallistan av International Mineralogical Association (IMA). Många varianter av vattenis bildas i det stora rymden under speciella tryck- och temperaturförhållanden. De finns, till exempel, på himlakroppar som Jupiters måne Ganymedes, som är täckt av lager av olika isvarianter.
Ice XV och ice XIX representerar det första syskonparet inom isfysiken där syregittret är detsamma, men mönstret hur väteatomer är ordnade är olika. "Detta innebär också att det för första gången nu kommer att vara möjligt att realisera övergången mellan två ordnade isformer i experiment, Thomas Loerting är glad att kunna rapportera. Sedan 1980-talet, forskare vid universitetet i Innsbruck, Österrike, är nu ansvariga för upptäckten av fyra kristallina samt två amorfa isformer.
Det aktuella forskningsarbetet utfördes inom ramen för forskningsplattformen för material och nanovetenskap vid universitetet i Innsbruck och fick ekonomiskt stöd av den österrikiska vetenskapsfonden FWF.
