Jonathan Morris, Centrum, arbetar med ORNL-forskarna Saad Elorfi och Arnab Banerjee för att hämta sin iskristall från en kryogen kammare vid Spallation Neutron Sources ARCS-instrument. Kredit:ORNL/Genevieve Martin
Isen vi blandar in i våra frysta drycker är en komplicerad förening, full av konstiga molekylära inkonsekvenser som forskare fortfarande kämpar för att förstå. Att utforska fysiken bakom vattenisens udda mikrostruktur kan hjälpa oss att lära oss mer om andra till synes orelaterade avancerade material och deras kvanttillstånd.
Det är därför Jonathan Morris, en biträdande professor i fysik vid Xavier University, och Joseph Lanier, en forskarstuderande, arbetar med den postdoktorala forskningsassistenten Anjana Samarakoon vid Department of Energy's (DOEs) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att undersöka en enda kristall fruset vatten. Specifikt, teamet vill lära sig mer om joniska defekter, mystiska molekylära avvikelser som ibland uppträder i den annars kristallina strukturen av is. Om de kan räkna ut hur mycket energi som krävs för att producera dessa joniska defekter, de kanske kan använda den informationen för att skapa modeller för att förstå liknande inkonsekvenser som finns i andra materials molekylära strukturer.
"Vi vill skapa en bättre förståelse för den grundläggande fysiken som dikterar vatten-is beteende, och sedan förhoppningsvis använda den kunskapen för att lära dig mer om andra föreningar och materiatillstånd, sa Morris.
Rent generellt, is beter sig enligt en uppsättning riktlinjer som kallas Bernal-Fowler-reglerna (även känd som isreglerna), som vanligtvis kan förutsäga hur molekyler i fruset vatten kommer att bete sig. Till exempel, Bernal-Fowler-reglerna säger att mellan två syreatomer, det kommer att finnas en väteatom, och runt vilken syreatom som helst, det kommer att finnas två väteatomer. Men faktisk is är inte alltid så organiserad. Ibland, vattenmolekyler i is beter sig illa, få eller förlora väteatomer för att bli unika joner till skillnad från någon av deras närliggande vattenmolekyler.
"Istället för två väten bredvid en individuell syreatom, du kan sluta med tre, som skapar ett H 3 O + Jon, eller så kan du sluta med bara ett väte bredvid ett syre, vilket skulle vara ett OH - Jon. Dessa defekter bryter mot isreglerna lokalt, och vi skulle vilja förstå hur och varför de gör detta, sa Samarakoon.
Morris förklarar att lära sig mer om dessa jondefekter skulle hjälpa forskare att bättre förstå den grundläggande fysiken som dikterar hur isen smälter och reagerar på elektriska fält. Det kan också kasta ljus över material som uppvisar kvantbeteenden - som kvantspinnis-kandidater - som har spinarrangemang analogt med väteatomerna i vattenis.
"Å ena sidan, vi är verkligen intresserade av att lära oss mer om is, speciellt eftersom det finns mycket vi inte vet om dess mikrostruktur. Men vi är också intresserade av is eftersom de typer av inkonsekvenser vi ser i dess molekylära struktur liknar defekter vi hittar i andra material, inklusive några kvanttillstånd, sa Morris.
För att bättre förstå dessa defekter i is och andra material, Morris, Lanier, och Samarakoon använde Elastic Diffuse Scattering Spectrometer (CORELLI) och Wide Angular-Range Spectrometer (ARCS) vid ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS) för att undersöka en delikat kristall av frusen deuteriumoxid – även känd som "tungvattenis" – endast 4 centimeter lång och 8 millimeter i diameter.
"Vi använde tungt vatten, D2O, eftersom dess deuteriumatomer har en extra neutron i sina kärnor jämfört med vanligt väte, vilket gör det lättare att observera med neutronspridning än H 2 O. Och eftersom tungt vatten och vanligt vatten har liknande atomstrukturer, vi kan använda det vi lär oss om tungvattenis för att bygga hypoteser om vanlig vattenis, sa Morris.
Samarbetspartners vid Helmholz-Zentrum i Berlin producerade kristallen, vilket innebar att den måste fraktas kall hela vägen från Tyskland till Oak Ridge. Morris och hans team var tvungna att vidta särskilda försiktighetsåtgärder för att se till att det inte smälte mitt i flyget.
"Att få det provet av deuteriumis hela vägen till Oak Ridge var ganska utmanande. Vi var tvungna att förvara det i en torrisbehållare och skicka det med en speciell lufttrafik för att se till att det inte av misstag förstördes under resan. Vi är mycket glada över hur framgångsrika vi var och hur hjälpsamma alla på ORNL har varit under denna process, sa Morris.
Neutroner är perfekta för detta experiment. De tränger djupt in, låta Morris och hans team både konstruera en fullständig undersökning av iskristallens inre mikrostruktur och spåra energisignaturerna för frysta vattenmolekyler som vibrerar i isen. CORELLI-instrumentet på SNS är särskilt användbart för detta experiment eftersom det tillåter Morris att fokusera specifikt på elastiska spridningshändelser, där neutroner sprids av atomerna i ett prov utan att förlora eller få någon energi. Sedan, han kan använda det närliggande ARCS -instrumentet för att mäta dynamiskt beteende, som perfekt kompletterar den statiska data han och hans team får från CORELLI.
"Elastiska spridningshändelser är verkligen viktiga för att lokalisera och studera joniska defekter i is. SNS är unik eftersom vi inte bara kan separera elastisk- från oelastisk-spridningsdata med CORELLI, men vi kan också verifiera dessa resultat med ARCS. Detta gör det mycket enklare att utföra vårt experiment, sa Morris.
Morris, Lanier, och Samarakoon hoppas att informationen de samlar in från dessa experiment inte bara kommer att hjälpa forskare att bättre förstå vattenis utan också bidra till en bättre förståelse av andra material.
"Is är ett fascinerande material, och det vi lär oss om dess joniska defekter här på ORNL kan hjälpa oss att göra ett meningsfullt bidrag till materialvetenskapen som helhet, sa Lanier.
