Hur liten är den minsta möjliga ispartikeln? Det är inte en snöflinga, mäter på en jättestor bråkdel av en tum. Enligt ny forskning publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences , den minsta nanodroppen vatten där is kan bildas är bara så stor som 90 vattenmolekyler – en tiondel av storleken på det minsta viruset. I de små skalorna, enligt University of Utah kemiprofessor och studieförfattare Valeria Molinero, övergången mellan is och vatten blir lite krusig.

"När du har ett glas vatten med is, du ser inte vattnet i glaset förvandla all is och all vätska som en funktion av tiden, " säger hon. I de minsta vattennanodroppar, hon säger, det är precis vad som händer.

Varför "is jag" spelar roll

Övergången mellan vatten och is är en av de viktigaste omvandlingarna mellan faser (fasta ämnen, vätskor och gaser) på vår planet, där det har unika effekter på vårt klimat samtidigt som det reglerar livets livskraft. Förstå de förhållanden som leder till bildandet av is, sedan, är en aktiv strävan inom områden som omfattar miljö- och geovetenskaper, fysik, kemi, biologi och teknik.

Is finns på jorden nästan uteslutande i den högordnade hexagonala kristallstrukturen känd som "is I". I vår atmosfär, små vattenkluster bildas och fryser därefter, så större kristaller och så småningom moln. På grund av konkurrerande termodynamiska effekter, dock, under en viss diameter kan dessa vattenkluster inte bilda termodynamiskt stabil is I. Det exakta storleksintervallet för vattenkluster som kan bilda stabil is I har undersökts genom experiment och teori i åratal med de senaste uppskattningarna som minskat intervallet från så lågt som 90 vattenmolekyler till så högt som 400.

Superkylning:Låg och långsam

Förr, en stor barriär för att experimentellt studera denna gräns har varit att kyla de underkylda vätskeklustren långsamt nog för att tillåta is-I-gittret att bildas ordentligt. Avkylning för snabbt skapar klungor av amorf is, en mindre ordnad fas. Om klustren inte kyls långsamt och jämnt, resultatet är en onaturlig kombination av isfaser. Datorsimuleringar av isbildning står också inför sina egna utmaningar när det gäller att replikera fysik och isbildning i nanoskala.

I den nya studien, forskare vid University of Utah, University of California, San Diego, universitetet Göttingen, Max Planck Institutes for Solar System Research and Dynamics and Self-Organization i Göttingen kombinerar de senaste framstegen inom simulering och experiment för att reda ut samspelet mellan de begränsningar som verkar på is-vätskeövergången i nanometerstora kluster.

För att övervinna kylproblemet, Göttingen-teamet använde en molekylstråle som genererar kluster av önskad storlek genom att initialt expandera en blandning av vatten och argon genom ett munstycke med en diameter på cirka 60 mikrometer. Den resulterande strålen leds sedan genom tre distinkta zoner där kylningshastigheten sänks för att kontrollera bildandet av klustren, nå en låg temperatur på 150 K (-123 °C eller -189 °F). Datormodeller av vatten som utvecklats av teamen i San Diego och Utah användes för att simulera egenskaperna hos nanodroppar.

Slutet på isen

Använda infraröda spektroskopiska signaturer för att övervaka övergången till is I i klustren, forskarna fann lovande överensstämmelse mellan de experimentella och teoretiska metoderna. Resultaten ger starka bevis för att "isens slut" inträffar när kluster är runt 90 vattenmolekyler. I denna storlek, klustren är bara cirka 2 nanometer i diameter, eller ungefär en miljon gånger mindre än en vanlig snöflinga.

Francesco Paesani vid University of California, San Diego förklarar, "Detta arbete kopplar på ett konsekvent sätt samman experimentella och teoretiska koncept för att studera mikroskopiska vattenegenskaper under de senaste tre decennierna, som nu kan ses i ett gemensamt perspektiv."

Oväntad svängning

Oväntat, forskarna fann i både simulering och experiment att is samexistens beter sig olika i kluster från 90 till 150 vattenmolekyler från de skarpa, väldefinierad smältövergång upplever vi med makroskopisk (storskalig) is och vatten som förekommer vid 0 ° C.Klusterna befanns istället övergå över ett intervall av temperaturer och pendla i tid mellan vätskan och istillstånden, en effekt av deras ringa storlek som först förutspåddes för tre decennier sedan, men saknade experimentella bevis tills nu.

Thomas Zeuch från Universität Göttingen noterar, "Makroskopiska system har ingen analog mekanism, vatten är antingen flytande eller fast. Detta oscillerande beteende verkar unikt för kluster i denna storlek och temperaturintervall."

"Det finns inget liknande dessa svängningar i vår erfarenhet av fassamlevnad i den makroskopiska världen!" tillägger Molinero. I ett glas vatten, hon säger, både is och vatten är stabila och kan samexistera, oavsett storleken på isbitarna. Men i en nanodroppe som innehåller både vätska och is, de flesta av vattenmolekylerna skulle befinna sig i gränsytan mellan is och vatten – så hela tvåfasklustret blir instabilt och pendlar mellan ett fast ämne och en vätska.

När isen blir konstig

Vattenkluster med storlekar och temperaturer i experimentet är vanliga i interstellära objekt och i planetariska atmosfärer, inklusive våra egna, säger Molinero. De finns också i mesosfären, ett atmosfäriskt lager ovanför stratosfären.

"De kan också existera som fickor av vatten i en matris av ett material, inklusive i håligheter av proteiner, " hon säger.

Om de oscillerande övergångarna skulle kunna kontrolleras, Molinero säger, de kan tänkbart utgöra grunden för en nanoventil som tillåter passage av material när en vätska och stoppar flödet när en fast substans.

Resultaten går utöver bara is och vatten. Molinero säger att småskaliga fenomen bör inträffa för vilket ämne som helst i samma skala. "I det avseendet, " hon säger, "vårt arbete går utöver vatten och ser mer allmänt på koden för en fasövergång, hur det förvandlas från skarpt till oscillerande och sedan försvinner själva faserna och systemet beter sig som en stor molekyl."