Glasstrukturen hos ett material tros ofta efterlikna dess motsvarande vätska. Polyamorfism mellan isar har använts som en guide för att belysa egenskaperna hos flytande vatten. Men hur många former av amorfa isar finns det? Förstår vi hur metastabil högtrycks kristallin is utvecklas mot den termiskt stabila lågdensitetsformen?

Ett internationellt forskarlag under ledning av Chuanlong Lin och Wenge Yang från HPSTAR och John S. Tse från University of Saskatchewan har avslöjat en transformationsmekanism i flera steg med hjälp av toppmodern tidsupplöst in situ synkrotronröntgendiffraktion. En temperatur/tidsberoende kinetisk väg med tre distinkta övergångar identifierades i den strukturella utvecklingen från metastabil kristallin is (is VII eller is VIII) till den termodynamiskt stabila isen I. Dessa mellanliggande processer tävlar mot varandra. Slutresultatet är en sammanställning av dessa processer. Verket publiceras i PNAS .

Vatten spelar en viktig roll i uppkomsten av liv på jorden. I flytande fas, den uppvisar många ovanliga egenskaper. I den fasta fasen, vanlig is uppvisar också olika fasövergångar vid högt tryck. Många teoretiska och experimentella studier har ägnats åt att förstå de underliggande inter-konverteringsmekanismerna. Än så länge, de flesta experimenten har varit ex situ -mätningar på återvunna prover och saknar detaljerad information om den strukturella utvecklingen som åtföljer transformationen. Tidigare studier har hindrats av tekniska svårigheter att övervaka den snabba strukturella förändringen över ett brett tryck- och temperaturområde.

År 2017, Lin och hans kollegor övervann den experimentella utmaningen. En serie studier genomfördes för att undersöka isövergångar genom att kombinera in situ tidsupplöst röntgendiffraktion, och fjärrstyrning av tryck med olika ramphastigheter inom en lågtemperaturkryostat. Denna förmåga möjliggjorde undertryckandet av termiskt drivna kristallina-kristallina övergångar [ PNAS 115, 2010-2015(2018)]. Viktiga insikter om komplexiteten hos de polyamorfa transformationerna erhölls, såsom den kinetiskt kontrollerade tvåstegs amorfiseringen i is Ih [Phys. Rev Lett. 119, 135701(2017)] och den framgångsrika satsningen på ingenmanslandet [Phys. Rev Lett. 121, 225703(2018)].

Nu, de försöker svara på vad exakt är karaktären hos de amorfa-amorfa fastransformationsprocesserna? Med hjälp av de nyutvecklade teknikerna, de utforskade "spegelprocessen", d.v.s. omvänd transformation från en metastabil kristallin is med hög densitet (dvs. is VII eller is VIII) till den omgivande stabila isen I. De identifierade de temperatur/tidsberoende kinetiska vägarna och karakteriserade samspelet/konkurrensen mellan högdensitet amorfa (HDA)-lågdensitet amorfa (LDA) övergången och omkristallisation. I motsats till tidigare rapporterade is VII (eller is VIII)—LDA—ice I transformationssekvenser, tidsupplösta mätningar visar en trestegsprocess:initial omvandling av is VII till HDA, följt av en HDA-LDA-övergång, och sedan kristallisering av LDA till is I. Både amorfiseringen av is VII och HDA till LDA-övergången visar distinkta termiska aktiveringsmekanismer. Betydande, båda processerna uppvisar Arrhenius-beteendet med en temperaturberoende varaktighetstid (τ) och en "övergångs"-temperatur på cirka 110-115 K.

Storskaliga molekylära dynamikberäkningar stöder också deras experimentella fynd. Vidare, det visar att HDA till LDA-transformationen är kontinuerlig med en stor densitetsskillnad och involverar betydande förskjutningar av vatten i nanoskalan. Denna studie presenterar ett nytt perspektiv på metastabiliteten och komplexiteten i att forma kinetiska vägar för isövergång.