En ny studie utmanar tanken att glasets atomstruktur inte går att skilja från vätskans struktur - åtminstone för en viss typ av glas som kallas "amorf is" som bildas när vatten kyls till mycket låga temperaturer.

I studien, forskare vid Princeton University och City University of New York använde datasimuleringar för att visa att vattenmolekylerna i amorf is är ordnade i en tidigare oupptäckt ordning, som den ursprungliga vätskan inte innehöll. Fyndet, publicerad 29 september i tidskriften Fysiska granskningsbrev , kan hjälpa till att förklara att vatten är nyfiket, livgivande egenskaper. Det utmanar också själva definitionen av vad det innebär att vara ett glas.

Glasögon tillverkas vanligtvis genom att kyla en vätska snabbt, och, enligt nuvarande förståelse, ett glas ärver den order som fanns i originalvätskan. När det gäller amorf is, dock, när det flytande vattnet svalnar, uppstår ett nytt och ordnat arrangemang av molekyler.

"Enligt våra resultat, dessa typer av glas är inte bara frysta vätskor - den här bilden håller inte längre, "sa Fausto Martelli, en associerad forskare vid Institutionen för kemi vid Princeton. "Vi säger i huvudsak att en uppfattning som forskare har trott i många år delvis är felaktig."

Före denna studie, forskare visste att den snabba frysningen av vatten, som kan uppstå vid extremt kalla temperaturer som finns i yttre rymden, leder till bildandet av ett mycket annorlunda material än den dagliga erfarenhetens is. Detta material, känd som amorf is, saknar vanlig iss högordnade kristallina struktur, ledande forskare att kategorisera det som ett glas - en vätska vars rörelse har bromsat till en glacial takt. Amorfa isar är inte vanliga på jorden, men de är den vanligaste formen av vatten i universum.

Den nya studien visade att molekylerna i dessa amorfa isar ordnar sig i ett tidigare oupptäckt internt mönster. Detta mönster, känd som störd hyperuniformitet, definieras som ordning över stora rumsliga avstånd även när det inte finns någon ordning över korta avstånd. Oordnade hyperuniforma material faller någonstans mellan en kristall, som är mycket organiserad över långa sträckor, och en vätska, som endast beställs över korta sträckor.

"Förekomsten av dessa storskaliga strukturella korrelationer har inte fullt ut uppskattats, och det är verkligen det vi ville ta upp i den här studien, "säger studieförfattaren Salvatore Torquato, en professor i kemi som, med Princetons seniorvetare Frank Stillinger, först identifierade hyperuniformitet för mer än ett decennium sedan ( Fysisk granskning E , 2003). "Informationen som finns i dessa system är ganska slående, och leder till helt nya insikter om material, "sa han. Han och hans kollegor har sedan identifierat hyperuniformitet på ett antal ställen, inklusive arrangemang av celler i ett kycklingöga ( Fysisk granskning E , 2014).

Förutom Martelli och Torquato, studieförfattarna inkluderade Roberto Car, Princetons Ralph W. Dornte professor i kemi, och Nicolas Giovambattista, docent vid Brooklyn College-The City University of New York. Torquato och Car är associerade med Princeton Institute for Science and Technology of Materials.

För att utforska den inre strukturen hos amorfa isar, Martelli använde en datormodell som spårar beteendet hos över 8, 000 vattenmolekyler för att simulera vad som skulle hända om han kylde ner vattnet till cirka 80 grader Kelvin (cirka -316 grader Fahrenheit). Vid denna temperatur, vattenmolekyler är så berövade värme att de inte längre kan röra sig från plats till plats, inte heller rotera på plats. Vid denna temperatur och lägre, forskarna observerade det hyperuniforma mönstret som framträder i data från datasimuleringen.

"Vi är inte vana vid att leta efter ordning på så stora längder, "Sa Martelli." Men matematik gör att vi kan belysa mönster som våra ögon inte kan se. "

Simuleringarna krävde månaders tid på högpresterande forskningsdatorer, inklusive Princeton Universitys TIGRESS -kluster genom Princeton Institute for Computational Science and Engineering.

Simuleringen gjorde det möjligt för forskarna att ställa frågor om vattnets natur, som har många avvikande beteenden som gör det unikt lämpligt att stödja livet. En sådan anomali är att den kristallina formen av is är mindre tät än flytande vatten, låter isen flyta, som i sin tur tillåter liv att existera under isen i sjöar och hav.

En möjlig förklaring till vattens avvikelser är att, vid mycket kalla temperaturer, vatten kan komma i två vätskefaser - en tätare än den andra - snarare än bara det flytande tillstånd vi finner bekant. Att upptäcka övergången av vatten mellan högdensitets- och lågdensitetsformerna har visat sig gäckande på grund av tekniska utmaningar.

Den aktuella studien ger indirekt stöd för förekomsten av de två formerna, åtminstone i datorsimuleringar. Giovambattista simulerade tillämpningen av högt tryck på modellen och observerade att trycket omvandlade lågdensitetsformen av amorf is till en högdensitetsform. Övergången mellan de två formerna av amorf is överensstämmer med förekomsten av två flytande former av vatten.

Att förstå den långsiktiga ordningen som finns i amorfa material är ett aktivt studieområde eftersom utnyttjande av hyperuniformitet kan leda till praktiska tillämpningar. Hyperuniformiteten i amorft kisel kan möjliggöra nya sätt att ställa in elektroniska egenskaper. Möjligheten att manipulera ett materials hyperuniforma långdistansordning kan hjälpa forskare att bygga starkare keramik eller glas som håller längre.

Amorfa isar kan produceras i laboratoriemiljöer, Martelli sa, och det kan vara möjligt att hitta tecken på hyperuniformitet i dessa experiment.