Stanford -forskare har för första gången fångat frysning av vatten, molekyl för molekyl, in i en konstig, tät form kallad is VII ("is sju"), finns naturligt i andra världsliga miljöer, som när isiga planetkroppar krockar.

Förutom att hjälpa forskare att bättre förstå de avlägsna världarna, resultaten - publicerade online 11 juli i Fysiska granskningsbrev - kan avslöja hur vatten och andra ämnen genomgår övergångar från vätskor till fasta ämnen. Att lära sig att manipulera dessa övergångar kan en gång öppna vägen för konstruktionsmaterial med exotiska nya egenskaper.

"Dessa experiment med vatten är de första i sitt slag, tillåter oss att bevittna en grundläggande övergång till ordning i en av de mest förekommande molekylerna i universum, "sa studiehuvudförfattaren Arianna Gleason, en postdoktor vid Los Alamos National Laboratory och en gästforskare i Extreme Environments Laboratory på Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap.

Forskare har länge studerat hur material genomgår fasförändringar mellan gas, flytande och fasta tillstånd. Fasförändringar kan ske snabbt, dock, och på den lilla skalan av bara atomer. Tidigare forskning har kämpat för att fånga moment-till-ögonblick-åtgärden av fasövergångar, och arbetade istället bakåt från stabila fasta ämnen genom att sammanfoga de molekylära stegen som föregångarens vätskor tog.

"Det har gjorts ett enormt antal studier om is eftersom alla vill förstå dess beteende, "sade studiens seniorförfattare Wendy Mao, docent i geologiska vetenskaper och en huvudutredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Vad vår nya studie visar, och som inte har gjorts tidigare, är förmågan att se isstrukturen bildas i realtid. "

Fånga is i akten

Dessa tidsramar blev uppnåbara tack vare Linac Coherent Light Source, världens mest kraftfulla röntgenlaser som ligger vid det närliggande SLAC National Accelerator Laboratory. Där, vetenskapsteamet strålade intensivt, grönfärgad laser vid ett litet mål som innehåller ett prov av flytande vatten. Lasern förångade omedelbart lager av diamant på ena sidan av målet, genererar en raketliknande kraft som komprimerade vattnet till tryck som överstiger 50, 000 gånger så mycket som jordens atmosfär vid havsnivån.

När vattnet komprimeras, en separat stråle från ett instrument som kallas röntgenfri elektronlaser anlände i en serie ljusa pulser bara en femtosekund, eller en fjärdedel av en sekund, lång. Liknar kameran blinkar, denna strålande röntgenlaser tog en uppsättning bilder som avslöjade utvecklingen av molekylära förändringar, bläddra i bokstil, medan trycksatt vatten kristalliserade till is VII. Fasförändringen tog bara 6 miljarder av en sekund, eller nanosekunder. Förvånande, under denna process, vattenmolekylerna bundna till stavformer, och inte sfärer som teorin förutsäger.

Plattformen som utvecklats för denna studie - som kombinerar högt tryck med ögonblicksbilder - kan hjälpa forskare att undersöka de otaliga sätten vatten fryser, beroende på tryck och temperatur. Under förhållandena på vår planets yta, vatten kristalliserar på bara ett sätt, kallad is Ih ("is one-H") eller helt enkelt "sexkantig is, "oavsett om det är glaciärer eller isbitar i frysen.

Fördjupning i utomjordiska istyper, inklusive is VII, kommer att hjälpa forskare att modellera sådana avlägsna miljöer som kometpåverkan, de interna strukturerna för potentiellt livsuppehållande, vattenfyllda månar som Jupiters Europa, och dynamiken i jumbo, klippig, oceaniska exoplaneter som kallas superjordar.

"Varje isig satellit eller planetinredning är intimt ansluten till objektets yta, "Sa Gleason." Att lära oss om dessa isiga interiörer hjälper oss att förstå hur världarna i vårt solsystem bildades och hur minst en av dem, såvitt vi vet, kom att ha alla nödvändiga egenskaper för livet. "