Vänster:Ismoln i den övre atmosfären sprider ljus, skapar ibland glorier runt solen. För att bättre förstå hur moln interagerar med solljus och atmosfären, forskare har skapat en speciell form av is i laboratoriet. Till höger:De nyskapade iskristallerna sprider röntgenstrålar i ett mönster av koncentriska cirklar med en viss frekvens och intensitet, vilket indikerar att vattenmolekyler i kristallerna har ett nästan perfekt kubiskt arrangemang. Upphovsman:Foto via Pixabay, Röntgendiffraktionsbild med tillstånd av Ohio State University.
Du hittar inga sådana isbitar i din frys.
Ett internationellt team av forskare har satt ett nytt rekord för att skapa iskristaller som har ett nästan perfekt kubikarrangemang av vattenmolekyler-en form av is som kan finnas i de kallaste molnen på hög höjd men som är extremt svår att göra på jorden.
Möjligheten att göra och studera kubisk is i laboratoriet kan förbättra datormodeller av hur moln interagerar med solljus och atmosfären - två nycklar för att förstå klimatförändringar, sa Barbara Wyslouzil, projektledare och professor i kemisk och biomolekylär teknik vid Ohio State University.
Det kan också förbättra vår förståelse av vatten - en av de viktigaste molekylerna för livet på vår planet.
Sett under ett mikroskop, normal vattenis - allt från frysta dammar, att snöa, till isen vi gör hemma - är gjord av kristaller med sexkantig symmetri, Wyslouzil förklarade. Men med bara en liten förändring i hur vattenmolekylerna är arrangerade i is, kristallerna kan ta en kubisk form.
Än så länge, forskare har använt närvaron av kalla kubiska ismoln högt över jordytan för att förklara intressanta glorier som observerats runt solen, liksom närvaron av triangulära iskristaller i atmosfären. Forskare har kämpat i decennier för att göra kubisk is i laboratoriet, men eftersom kubikformen är instabil, det närmaste någon har kommit är att göra hybridkristaller som är cirka 70 procent kubik, 30 procent sexkantig.
Forskare skapade iskristaller med ett nästan perfekt kubiskt arrangemang av vattenmolekyler, för att bättre förstå hur ismoln på hög höjd interagerar med solljus och atmosfären. I denna röntgendiffraktionsbild, iskristallerna har spridit röntgenstrålar för att skapa koncentriska ringar, som är ett fingeravtryck av det molekylära arrangemanget i kristallerna. Upphovsman:Ohio State University.
I ett papper publicerat i Journal of Physical Chemistry Letters , Wyslouzil, forskarassistent Andrew Amaya och deras medarbetare beskriver hur de kunde skapa frysta vattendroppar som var nästan 80 procent kubik.
"Även om 80 procent kanske inte låter nästan perfekt, 'De flesta forskare tror inte längre att 100 procent ren kubisk is kan uppnås i laboratoriet eller i naturen, "sa hon." Så frågan är, hur kubik kan vi göra det med nuvarande teknik? Tidigare experiment och datasimuleringar observerade is som är cirka 75 procent kubik, men vi har överskridit det. "
För att göra den mycket kubiska isen, forskarna drog kväve och vattenånga genom munstycken vid supersonisk hastighet. När gasen expanderade, den svalnade och bildade droppar hundra tusen gånger mindre än den genomsnittliga regndroppen. Dessa droppar var mycket underkylda, vilket betyder att de var flytande långt under den vanliga frysningstemperaturen på 32 grader Fahrenheit (0 grader Celsius). Faktiskt, dropparna förblev flytande tills cirka -55 grader Fahrenheit (cirka -48 grader Celsius) och frös sedan på ungefär en miljonedel av en sekund.
För att mäta isens kubicitet i munstycket, forskare utförde röntgendiffraktionsförsök vid Linac Coherent Light Source (LCLS) vid SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, CA. Där, de träffade dropparna med röntgenlasern med hög intensitet från LCLS och registrerade diffraktionsmönstret på en röntgenkamera. De såg koncentriska ringar vid våglängder och intensiteter som indikerade att kristallerna var cirka 80 procent kubik.
De extremt låga temperaturerna och snabba fryspunkter var avgörande för att bilda kubisk is, Wyslouzil sa:"Eftersom flytande vattendroppar i moln på hög höjd vanligtvis är superkylda, det finns en god chans att det bildas kubisk is där. "
Exakt varför det var möjligt att göra kristaller med cirka 80 procent kubicitet är för närvarande okänt. Men, sedan igen, exakt hur vatten fryser på molekylär nivå är också okänt.
"När vatten fryser långsamt, vi kan tänka oss att is är byggd av vattenmolekyler som du bygger en tegelvägg, en tegel ovanpå den andra, "sa Claudiu Stan, en forskningsassistent vid Stanford PULSE Institute vid SLAC och partner i projektet. "Men frysning i moln på hög höjd sker för snabbt för att det ska vara fallet-istället frysning kan ses som en utgångspunkt från en oregelbunden hög med tegelstenar som hastigt ordnar om sig till en tegelvägg, eventuellt innehåller defekter eller har ett ovanligt arrangemang. Denna typ av kristallframställningsprocess är så snabb och komplex att vi behöver sofistikerad utrustning bara för att börja se vad som händer. Vår forskning motiveras av tanken att vi i framtiden kan utveckla experiment som låter oss se kristaller när de bildas. "
