Vatten har många isfaser som bildas under olika tryck- och temperaturförhållanden. Effekterna av positivt tryck har undersökts omfattande, med resultaten något förutsägbara:När trycket ökar, så även isens densitet.

Mycket mindre är känt, dock, om effekterna av extremt undertryck på vattenmolekyler. Utforska en betydande region med negativt tryck genom molekylär dynamiska simuleringar, Forskare har nu teoretiskt upptäckt en ny familj av isfaser. Kallas aeroices, dessa isar har den lägsta densiteten av alla kända iskristaller. Forskarna, från Okayama University i Japan, rapportera sina resultat denna vecka i Journal of Chemical Physics .

"Vår forskning, som undersöker en hel region med negativt tryck för första gången, ger en viktig språngbräda för att utforska detta stora och invecklade territorium på fasdiagrammet, " sa Masakazu Matsumoto, docent vid Research Institute for Interdisciplinary Science vid Okayama University och medförfattare till artikeln. "Isar med lägre densitet än normal is visar sig också vara mångfaldiga [av många slag]."

Upptäckten förväntas påskynda förståelsen av de grundläggande egenskaperna och beteendet hos vatten i nanorör och andra nanoporer, såväl som i biomolekyler.

Sjutton isfaser har hittats experimentellt, var och en numrerade i den ordning de upptäcktes. Endast två isar har lägre densitet än vanlig is.

Under 2014, ett forskarlag upptäckte en isfas som bildas under negativt tryck:is XVI. Isens molekyler bildar en zeolitstruktur, en 3D kristallin bur, där gästmolekyler eller atomer är fångade inuti. Gästmolekylerna (neonpartiklar i detta fall) togs bort, resulterar i en stabil, is med ultralåg densitet vid höga negativa tryck. Med en liknande teknik, en annan grupp forskare upptäckte is XVII 2016.

Forskarna vid Okayama University kartlade alla möjliga isfaser som fortfarande kan vara kvar att utforska i området med negativt tryck. Att veta att strukturen av kiseldioxid (SiO2) och is är vanliga, de hämtade 200 silikazeoliter från Zeolite Database, som administreras genom International Zeolite Association. Mer än 300 strukturer utvärderades totalt.

Forskarna ordnade om atomerna i SiO2-strukturen, ta bort de två syreatomerna och ersätta kiselatomen i varje molekyl med en syreatom. Sedan, väteatomerna tillsattes så att strukturen lydde isregeln.

I densitetsintervallet som bara är ungefär hälften av det för flytande vatten (~0,5 g/cm^3), forskarna visade att den nyupptäckta isfasen är mer stabil än någon zeolitis som hittills undersökts. Forskarna simulerade ännu mindre täta isstrukturer - mellan 0 och 0,5 gram per kubikcentimeter - genom att lägga till polyedriska byggstenar till de zeolitiska ramverken för att göra strukturen glesare samtidigt som de uppfyller strukturregeln för is.

"Dessa nya strukturer är aeroices, sade Matsumoto, "och de kan vara mer stabila än någon zeolitisk is vid vissa termodynamiska förhållanden under negativt tryck."