Vatten är livsviktigt för livet på jorden och dess betydelse kan helt enkelt inte överskattas - det är också djupt rotat i vårt samvete att det är något extremt speciellt med det. Än, ur vetenskaplig synvinkel, mycket är okänt om vatten och dess många fasta faser, som visar en uppsjö av ovanliga egenskaper och så kallade avvikelser som, medan det är centralt för vattnets kemiska och biologiska betydelse, ses ofta som kontroversiella.

Detta inspirerade forskare vid University College London och Oxford University att driva en bättre förståelse av vatten och is som material, som har en långtgående inverkan på många forskningsområden. I en artikel i Journal of Chemical Physics , de rapporterar sitt arbete med vätebeställningen av den oordnade is VI -fasen i förhållande till dess beställda motsvarande is XV.

"När flytande vatten fryser, bara dess syreatomer hamnar faktiskt i fasta lägen, "förklarade Christoph G. Salzmann, docent och Royal Society Research Fellow, Institutionen för kemi, University College London. "Väteatomerna förblir störda - så vi kallar sådana isfaser för" vätestörningar ". Vid kylning, väteatomerna förväntas bli ordnade och resultera i väteordnade isar. Än, denna process är svår eftersom omorienteringen av de vätebundna vattenmolekylerna är mycket samarbetsvilliga. "

För att förklara konceptet, han använde ett kakelspel som en analogi.

"Att gå från oordning till ordning är svårt arbete eftersom plattorna inte kan röra sig självständigt - liknande situationen i is, "sa han." Men, några år sedan, vi fann att tillsats av en liten mängd saltsyra dramatiskt hjälper till att uppnå väteordning vid låga temperaturer. "

Saltsyra är den "magiska ingrediensen" som påskyndar omorienteringen av vattenmolekylerna.

Is VI och is XV är båda högtrycksfaser av is som bildas vid cirka 10, 000 atmosfärer. "Isstrukturen för is XV har varit ämne för livlig vetenskaplig diskussion i åratal, "Salzmann sa." En mängd olika och, till viss del, motstridiga modeller har föreslagits från både experimentella data - inklusive en tidigare studie från vår grupp - såväl som beräkningsstudier. "

För detta arbete, forskarna vände sig till neutrondiffraktion för att analysera isens struktur XV och dess bildning från is VI. "Att använda neutroner är viktigt eftersom röntgenstrålar i huvudsak är" blinda "mot väteatomer, "Sa Salzmann." För att helt lösa isstrukturen XV, vi behöver verkligen veta var väteatomerna finns - neutroner är viktiga. "

Gruppens arbete representerar en stor förändring i förståelsen av is XV som konsoliderar mycket av deras tidigare arbete. "Först, vi har visat att använda neutrondiffraktion vid ISIS Science and Technology Facilities Council i Storbritannien att isen krymper åt två håll, men expanderar i den tredje under övergången från is VI till XV, "förklarade han." Med hjälp av densitetsfunktionella teoriberäkningar, vi kan visa att endast en specifik strukturell modell av is XV överensstämmer med dessa förändringar. "

Tillfälligtvis, denna struktur är också den som gruppen föreslog från sin djupgående analys av neutrondata.

"Denna överensstämmelse mellan experiment och beräkningar är stor, särskilt, eftersom det har funnits motstridiga åsikter angående is XV, "tillade han." Isens totala volym ökar under fasövergången, som slutligen förklarar varför övergången lättare observeras vid omgivningstryck än vid högre tryck - beteende som har förbryllat oss länge. "

En annan viktig punkt, presenteras i deras artikel, är ett nytt datorprogram som heter "RandomIce, "som har producerat den bästa strukturella beskrivningen av is XV hittills." Vi har presenterat beredningen av den mest beställda is XV hittills, men vi har inte uppnått ett helt ordnat tillstånd, "Sa Salzmann.

RandomIce gör det möjligt att förbereda storskaliga molekylära modeller, som gruppen kallar "superceller". Dessa överensstämmer med den genomsnittliga strukturen som erhålls från diffraktionsdata, och i huvudsak "spelar" RandomIce det kakelspel som beskrivits tidigare tills den bästa överenskommelsen med diffraktionsdata uppnås. "Att göra detta, mer än 100 miljoner "kakelrörelser" var nödvändiga, "Påpekade Salzmann.

Gruppens arbete öppnar dörren till utvecklingen av mer exakta datormodeller av vatten som kan gynna ett brett spektrum av discipliner - från biologi och kemi till geologi och atmosfärvetenskap.

Ytterligare, det är nu möjligt att "klargöra i vilken form is förväntas uppstå under vissa tryck- och temperaturförhållanden inuti isiga månar och planeter, "Sa Salzmann.

Vad är nästa för forskarna?

"Det finns fortfarande en öppen fråga om varför vi inte kan uppnå full ordning i is XV, "Vi har redan påbörjat ett nytt experimentellt arbete för att undersöka hur isens egenskaper förändras inom nanokonfinitioner och närvaron av kemiska arter - eftersom vi är intresserade av att förstå isens komplexa beteende på kometer och i vår atmosfär."