Alla vet att vatten fryser vid 0 grader C. Livet på jorden skulle vara väldigt annorlunda om det inte vore så. Dock, vattnets kusin, kiseldioxid, uppvisar egensinnigt beteende när den svalnas, vilket länge har förbryllat forskare.

Till skillnad från vatten, kiseldioxid (SiO ₂ ) fryser inte lätt. När flytande kiseldioxid svalnar, dess atomer misslyckas med att ordnas till en ordnad kristall. Istället, när temperaturen sjunker, det flytande tillståndet överlever även långt under den nominella frystemperaturen. Detta fenomen kallas underkylning. Så småningom, atomerna är helt enkelt låsta på plats var de än är, bevara vätskans strukturella störning. Det resulterande frusna tillståndet av materia - mekaniskt fast, men mikroskopiskt vätskeliknande — är ett glas.

Silicas preferens för glasbildning får stora konsekvenser, eftersom det är bland de vanligaste föreningarna på jorden. På vissa sätt, kiseldioxid och vatten är lika - de har liknande koordinationsgeometrier med tetraedrisk symmetri, och båda visar en ovanlig tendens att bli mindre täta under en viss temperatur vid kylning, men mer vätska vid trycksättning. De visar till och med analoga kristallstrukturer när kiseldioxid kan bringas att frysa.

Nyligen, Forskare vid University of Tokyos Institute of Industrial Science avslöjade viktiga ledtrådar om varför vatten och kiseldioxid divergerar så kraftigt när de blir kalla. I en studie publicerad i PNAS , deras simuleringar avslöjade inflytandet av det lokala symmetriska arrangemanget av atomer i flytande tillstånd på kristallisation. Det visar sig att atomerna ordnar sig ordentligt i vatten medan de inte är i kiseldioxid.

När vätskor svalnar, ordning uppstår från slumpmässighet, när atomerna samlas till mönster. Från varje enskild atoms synvinkel, en serie koncentriska skal dyker upp när dess grannar samlas runt. I både vatten och kiseldioxid, det första skalet (runt varje O- eller Si-atom, respektive) är tetraedrisk till formen - ett fall av orienteringsordning, eller "symmetribrott". Den viktigaste skillnaden är den andra skalstrukturen. För vatten, det är fortfarande korrekt ordnat med orienteringsordning, men för kiseldioxid, det andra skalet är slumpmässigt utsmetat runt med liten orienteringsordning.

"I vatten, de lokalt ordnade strukturerna är föregångare till is; det är, tetraedriska kristaller av H2O, " medförfattaren Rui Shi förklarar. "Den orienterande ordningen, eller rotationssymmetribrott, i flytande tillstånd förklarar varför vatten fryser så lätt. I underkyld kiseldioxid, dock, bristen på orienteringsordning förhindrar kristallisering, vilket resulterar i enkel glasbildning. Med andra ord, rotationssymmetrin är svårare att bryta i kiseldioxidens flytande struktur, och med mindre orienteringsordning."

Forskarna förklarar denna skillnad genom att jämföra bindningen i de två ämnena. Vatten består av individuella H2O-molekyler, hålls samman av starka kovalenta bindningar men interagerar via svagare vätebindningar. Vattens stabila molekylära struktur begränsar atomernas frihet, vilket resulterar i hög orienteringsordning i vatten. Kiseldioxid, dock, har ingen molekylär form, och atomer är resulterande bundna på ett mindre riktat sätt, leder till dålig orienteringsordning.

"Vi visade att de makroskopiska skillnaderna mellan vatten och kiseldioxid har sitt ursprung i den mikroskopiska världen av bindning, ", säger motsvarande författare Hajime Tanaka. "Vi hoppas kunna utvidga denna princip till andra ämnen, som flytande kol och kisel, som strukturellt liknar vatten och kiseldioxid. Det slutliga målet är att utveckla en allmän teori om hur glasbildare skiljer sig från kristallbildare, vilket är något som hittills har undgått forskarna."