Genom ett experiment för att skapa ett superkallt vattentillstånd, forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory använde neutronspridning för att upptäcka en väg till den oväntade bildningen av tät, kristallina faser av is tros existera bortom jordens gränser.

Observation av dessa speciella kristallina isfaser, känd som is IX, is XV och is VIII, utmanar accepterade teorier om superkyldt vatten och amorft, eller icke-kristallint, is. Forskarnas resultat, rapporteras i tidningen Natur , kommer också att leda till bättre grundläggande förståelse för is och dess olika faser som finns på andra planeter och månar och på andra ställen i rymden.

"Väte och syre är bland de mest förekommande elementen i universum, och den enklaste molekylföreningen av de två, H ₂ O, det är vanligt, "sa Chris Tulk, ORNL -neutronspridningsforskare och huvudförfattare. "Faktiskt, en populär teori antyder att det mesta av jordens vatten fördes hit genom kollisioner med isiga kometer. "

På jorden, när vattenmolekylerna når noll grader Celsius, de går in i ett lägre energiläge och sätter sig på ett sexkantigt kristallint gitter. Denna frysta form betecknas som is Ih, den vanligaste fasen av vatten som finns i hushållsfrysar eller på skridskobanor.

Ice IX, is XV och is VIII är tre av minst 17 isfaser som realiseras när molekyler omorganiseras till en stabil kristallin struktur vid varierande superlåga temperaturer och mycket höga tryck, förhållanden som inte förekommer naturligt på jorden.

"När is förändrar faser, det liknar vatten som går från en gas till en vätska till ett fast ämne utom vid låga temperaturer och högt tryck - isen omvandlas mellan olika olika fasta former, "Sa Tulk.

Varje känd isfas kännetecknas av sin unika kristallstruktur inom sitt tryck-temperaturintervall av stabilitet, där molekylerna når jämvikt och vattenmolekylerna uppvisar ett vanligt tredimensionellt mönster, och strukturen blir stabil.

Initialt, Tulk och kollegor vid National Research Council of Canada och från University of California i Los Angeles undersökte den amorfa isens strukturella natur - ett tillstånd av is som bildas utan någon ordnad kristallin struktur - när den omkristalliseras vid ännu högre tryck.

För att göra amorf is, forskare fryser in vatten i en högtrycksanordning som kyls till minus 173 grader Celsius och trycksätts till cirka 10, 000 atmosfärer, eller 147, 000 pund per kvadrattum (bildäck pumpas upp till cirka 32 pund per kvadrattum).

"Denna typ av amorf is tros ha samband med flytande vatten, och förstå att länken var det ursprungliga syftet med denna studie, sa Tulk.

Vid ORNL:s Spallation Neutron Source, laget frös en tre millimeter sfär, eller ungefär en halv droppe, av deutererat vatten, som har en ytterligare neutron i vätskärnan som behövs för neutronspridningsanalys. Sedan, de programmerade Spallation Neutrons and Pressure, eller SNAP, diffraktometer till minus 173 grader C. Instrumentet ökade trycket stegvis varannan timme upp till 411, 000 pund per kvadrattum, eller ungefär 28, 000 atmosfärer medan du samlar in neutronspridningsdata mellan varje höjning i tryck.

"När vi väl uppnått amorf is, vi planerade att höja temperaturen och trycket och observera den lokala molekylära ordningen när den amorfa isen 'smälter' till en underkyld vätska och sedan omkristalliseras, "Sa Tulk. Men efter analys av data, de blev förvånade över att veta att de inte hade skapat amorf is, utan snarare en sekvens av kristallina transformationer genom fyra isfaser med ständigt ökande densitet:från is Ih till is IX till is XV till is XIII. Det fanns inga tecken på amorf is alls.

"Jag har alltid gjort många av dessa prover genom att komprimera is vid låg temperatur, "sa medförfattaren Dennis Klug från National Research Council of Canada, labbet som ursprungligen upptäckte den tryckinducerade amorfiseringen av is 1984. "Jag har aldrig tidigare sett denna tryck-temperatur-väg resultera i en rad kristallina former som detta."

"Om data från vårt experiment var sanna, det skulle betyda att amorf is inte är relaterad till flytande vatten utan snarare är en avbruten transformation mellan två kristallina faser, en stor avvikelse från allmänt accepterad teori, "Tillade Klug.

I början, laget trodde att deras observation var resultatet av ett förorenat prov.

Ytterligare tre experiment med en färsk, noggrant hanterade prover på SNAP gav identiska resultat, återbekräfta den strukturella transformationssekvensen utan bildning av amorf is.

Nyckeln var den långsamma tryckökningen och insamling av data vid ett lägre tryck som gjorde att isstrukturen kunde slappna av och bli den stabila is IX -formen. Tidigare experiment gick snabbt över is IX -strukturen utan avslappning, detta resulterade i den amorfa fasen.

I 35 år, forskare har undersökt egenskaperna hos superkallt vatten och letat efter det som kallas den andra kritiska punkten, som ligger begravd inom de fasta isfaserna. Men dessa resultat ifrågasätter dess existens. "Förhållandet mellan tryckinducerad amorf is och vatten är nu i tvivel, och den andra kritiska punkten kanske inte ens existerar, "Sa Tulk.

"Resultaten av detta dokument kommer att ligga till grund för analysen av framtida studier av amorfa isfaser under kommande experiment som gjorts vid SNS, " han lade till.

Medförfattare till studien med titeln, "Frånvaro av amorfa former när is komprimeras vid låg temperatur, "inkluderade Chris A. Tulk och Jamie J. Molaison från ORNL; Adam Makhluf och Craig E. Manning från UCLA; och Dennis D. Klug från NRC i Kanada.