Ett fascinerande ämne med unika egenskaper, is har fascinerat människor sedan urminnes tider. Till skillnad från de flesta andra material, is vid mycket låg temperatur är inte så ordnad som den skulle kunna vara. Ett samarbete mellan Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), Abdus Salam International Center for Theoretical Physics (ICTP), Institutet för fysik Rosario (IFIR-UNR), med stöd av Istituto Officina dei Materiali vid det italienska nationella forskningsrådet (CNR-IOM), gjort nya teoretiska inhopp om orsakerna till varför detta händer och på hur en del av den saknade ordern kan återvinnas. I det ordnade tillståndet har teamet av forskare beskrivit en relativt oklar och ändå grundläggande egenskap hos mycket låg temperatur is:ferroelektricitet. Resultaten, publicerad i PNAS , kommer sannolikt att sträcka sig till isytor, en möjlighet som kan vara relevant för agglomerationen av ispartiklar i det interstellära rymden.

"I ett idealiskt ordnat stycke is bör väteatomerna i varje vattenmolekyl peka i samma riktning, som soldater i en pluton som tittar framför dem, " förklarar Alessandro Laio, fysiker vid SISSA och ICTP. "Om så var fallet, is skulle uppvisa en makroskopisk elektrisk polarisation - den skulle vara ferroelektrisk. Istället, vattenmolekyler i is, även vid mycket låg temperatur, bete sig som oregerliga soldater, och alla tittar åt olika håll."

Detta anomala beteende, upptäcktes experimentellt på 1930-talet, förklarades omedelbart och berömt av Linus Pauling:bristen på disciplin är en effekt av "isregeln"-begränsningen - varje syreatom bör när som helst ha två och bara två protoner för att göra den H ₂ O. Den svåra kinetiken som skapas av den begränsningen gör att beställningsprocessen blir oändligt långsam, som i en pluton där varje soldat hade fyra grannar och fick hålla två händer på axlarna av två av dem.

"Om det inte vore för orenheter eller defekter, som visade sig spela en avslöjande roll, man skulle fortfarande i dag inte veta om protonordningen och ferroelektriciteten hos bulkkristallin is är en verklig möjlighet eller en fantasi, eftersom varken experiment eller simuleringar kunde övervinna den kinetiska avmattningen som genereras av isregel, " påpekar Erio Tosatti, fysiker vid SISSA, ICTP och CNR-IOM Demokritos.

Föroreningar, till exempel en KOH som ersätter H ₂ O, är i själva verket kända för att tillåta beställningsprocessen att kärna och is att bli ordnad och ferroelektrisk vid mycket låg temperatur, om än bara delvis och trögt. Ännu en gång, "isregeln" misstänktes ligga bakom den här processens tröghet, men exakt hur det fungerade visste man inte riktigt.

Tillsammans med Jorge Lasave och Sergio Koval från IFIR-UNR i Argentina, båda ICTP-associerade medlemmar, Alessandro Laio och Erio Tosatti utformade en teoretisk modell och en strategi för att förklara beteendet hos både ren och dopad is.

"Enligt denna modell, "Forskarna förklarar, "när en förorening väl har införts i ett initialt ojämvikt lågtemperaturstörningstillstånd, det fungerar som ett frö för den ordnade fasen, men på ett märkligt sätt:inte alla 'soldater' runt föroreningen börjar titta i rätt riktning, men bara de framför eller bakom orenheten. Således, i slutet av processen kommer bara en rad soldater inuti plutonen att bli beordrade." Denna högst atypiska process har många av de egenskaper som kan förklara den tröga och ofullständiga uppkomsten av ferroelektrisk ordning i riktig dopad is.

"Även om studien för närvarande är begränsad till bulk is, "Tosatti och Laio avslutar, "den mekanism som lyfts fram kommer sannolikt att sträcka sig till isytor, där strängar av ordnade protoner kunde bilda kärnor vid låga temperaturer, förklara en länge känd liten mängd lokal ferroelektrisk polarisation, ett fenomen som också nämns som möjligen relevant för agglomerationen av ispartiklar i det interstellära rymden."