De komplexa egenskaperna hos vatten och is är inte väl förstått men ett team från UCL och ISIS Neutron and Muon Source har avslöjat ny information om en fas av is som kallas is II.

Med tanke på att vatten utgör 60 % av våra kroppar och är en av de vanligaste molekylerna i universum, det är inte konstigt att vatten är känt som "livets matris".

Det finns många olika former av is – som alla skiljer sig avsevärt från den is du hittar i frysen. Is antar många olika former beroende på trycket vid vilket den utvecklades.

När vatten fryser, ordnar sig dess molekyler, och högt tryck gör att molekylerna omarrangeras på andra sätt än de normalt skulle göra. De många distinkta faserna av is kan sammanfattas med hjälp av ett fasdiagram, som visar de föredragna fysikaliska tillstånden för materia vid olika temperaturer och tryck.

Forskare från UCL och Science and Technology Facilities Council (STFC) ISIS Neutron and Muon Source har använt högtrycksneutrondiffraktion för att undersöka effekten av ammoniumfluoridföroreningar på vattnets fasdiagram.

Deras överraskande resultat, publicerad i Naturfysik , fann att tillsatsen av denna förorening orsakade en viss fas av is, känd som is II, att helt försvinna från vattnets fasdiagram medan de andra faserna var opåverkade.

De många olika faserna av is kan grupperas i en av två typer - väte-ordnade faser och väte-ordnade faser. I dessa olika faser är orienteringen av vattenmolekyler antingen fast definierad eller oordnad.

Ice II är en väte-ordnad fas av is som bildas under förhållanden med högt tryck. Till skillnad från andra faser av is, ice II förblir termodynamiskt stabil och väte-ordnad upp till mycket höga temperaturer och ursprunget till detta anomala resultat är inte väl förstått.

Med hjälp av neutrondiffraktion avslöjade gruppen de mycket speciella egenskaperna hos is II. PEARL högtrycksneutrondiffraktometer vid ISIS Neutron and Muon Source är optimerad för diffraktionsstudier upp till 20 GPa, även om här prover endast exponerades för 0,3 GPa. Även om detta är långt under instrumentets fulla kapacitet motsvarar 0,3 GPa fortfarande 3 ton att trycka ner en enda fingernagel.

För neutrondiffraktionsmätningarna placerades malda isprover inuti en titan-zirkoniumburk, vilka neutroner lätt tränger igenom. Det extrema trycket på PEARL genererades med hjälp av en gaskompressor fylld med argongas. PEARL tillåter in-situ tryckneutrondiffraktionsmätningar att äga rum, som var avgörande för denna forskning.

"Utan in-situ neutrondiffraktion hade vi inte kunnat utföra denna studie. Det var ytterst viktigt att visa att is II har försvunnit i det område av fasdiagrammet där det normalt skulle existera, " sa Dr. Christoph G. Salzmann (UCL Chemistry).

Förutom att samla in högtrycks neutrondiffraktionsdata, forskare använde också beräkningsmetoder för att få mycket viktiga insikter. De fann att dopning av is II med små mängder ammoniumfluorid fick just denna isfas att försvinna helt, medan isens konkurrerande faser var opåverkade. Denna observation gjorde det möjligt för forskare att sluta sig till viktig information om de mycket ovanliga egenskaperna hos is II.

"Till skillnad från de andra faserna, is II är en topologisk begränsning. Detta innebär att vattenmolekyler i is II interagerar med varandra över mycket långa avstånd. På sätt och vis, vad som än händer med en vattenmolekyl i en iskristall II - effekten "känns" av alla andra molekyler. I vår studie, ice II upplever en störning av ammoniumfluoriden som destabiliserar all is II och gör att den försvinner, " tillade Dr. Salzmann.

Kunskapen om denna effekt kommer att vara av betydelse för alla studier där is samexisterar med andra material i naturen, till exempel på isiga månar. Dessutom, de speciella egenskaperna hos is II ger en ny förklaring till varför fasdiagrammet för vatten visar så många anomalier, inklusive flytande vatten. Dessa fynd kan också öppna upp studier av nya faser av is. Om dopämnen har förmågan att undertrycka vissa faser av is, tyder detta på att de också kan inducera bildandet av nya faser av is.

Intresse för "livets matris, "och dess många faser av is, visar verkligen inga tecken på att vackla. Med högtrycksneutrondiffraktion som tillåter studier av extrema tryckmiljöer på ett sätt som ingen annan teknik kan, vi kommer sannolikt att se teamet tillbaka på anläggningen på jakt efter nya isfaser.