Fysiken är fylld av mysterier. För att hitta några som är värda att utforska, leta inte längre än en isbit. Vid rumstemperatur kommer förstås kuben att smälta framför dina ögon. Men även långt under fryspunkten kan isen skifta på knappt märkbara sätt som forskare fortfarande försöker förstå. Med hjälp av bildverktyg vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har forskare upptäckt ett fenomen som kallas försmältning vid temperaturer som är mycket lägre än de som tidigare observerats.
Deras resultat publiceras i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .
Försmältning är anledningen till att en isfläck kan vara halt även på en kall, klar dag. Även om platsen är frusen, är en del av ytan våt, en idé som först ställdes av Michael Faraday i mitten av 1800-talet. Idén med ett försmält, vätskeliknande lager på is öppnar upp för andra långvariga frågor om hur vatten förvandlas från flytande till fast till ånga – och hur det under vissa förhållanden kan vara alla tre samtidigt.
I den senaste studien undersökte forskare iskristaller som bildats under minus 200 grader Fahrenheit. Teamet använde Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science-användaranläggning, för att växa och observera isens nanokristaller, som bara mätte 10 miljondelar av en meter i diameter.
Förutom vad studien avslöjar om vattnets natur vid minusgrader, demonstrerar den en metod för att undersöka känsliga prover i molekylär detalj:lågdos, högupplöst transmissionselektronmikroskopi (TEM). TEM riktar en ström av elektroner, som är subatomära partiklar, mot ett föremål. En detektor skapar en bild genom att fånga upp hur elektronerna sprider sig från föremålet.
"Vissa material är strålkänsliga. När du använder en elektronstråle för att avbilda dem kan de ändras eller förstöras", säger Jianguo Wen, materialforskare i Argonne och en huvudförfattare på tidningen. Ett exempel på ett elektronstrålekänsligt material är elektrolyter, som utbyter laddade partiklar i batterier." Att kunna studera dem i detalj utan att störa deras struktur kan hjälpa till att utveckla bättre batterier.
Men till att börja med experimenterar forskare med lågdos-TEM-tekniken på fruset vatten. När allt kommer omkring är vatten billigt och rikligt. Mer än så, sade Wen, "Is är mycket utmanande att avbilda, eftersom den är så instabil under högenergielektronstrålen. Om vi framgångsrikt demonstrerar denna teknik på is, kommer avbildning av andra strålkänsliga material att vara en pjäs. "
Lågdostekniken kombinerar CNM:s aberrationskorrigerade TEM med en specialiserad direkt elektrondetektionskamera. Systemet är extremt effektivt för att fånga information från varje elektron som träffar ett prov, så det är möjligt att få en högupplöst bild med färre elektroner, vilket ger mindre skada på målet än en konventionell TEM-metod.
Den låga nivån av elektronexponering gör det möjligt att fånga något så känsligt som en iskristall in situ, eller i dess omgivning. Forskargruppen använde flytande kväve för att odla iskristallerna på kolnanorör vid 130 grader Kelvin, eller minus 226 grader Fahrenheit.
Tidigare studier hade observerat försmältning nära vattnets trippelpunkt. Vid trippelpunkten är temperaturen bara ett hårstrå över fryspunkten och trycket är tillräckligt lågt för att is, vätska och vattenånga kan existera på en gång. Vid temperaturer och tryck under trippelpunkten sublimeras is direkt till vattenånga.
"Reglerna" för vattnets beteende är ofta prydligt sammanfattade i ett enkelt fasdiagram som kartlägger vattnets varierande tillstånd över olika kombinationer av temperatur och tryck.
"Men den verkliga världen är mycket mer komplex än det här enkla fasdiagrammet", säger Tao Zhou, materialforskare i Argonne och en annan motsvarande författare till artikeln. "Vi visade att försmältning kan ske långt ner på kurvan, även om vi inte kan förklara varför."
I en video som tagits under experimentet kan två separata nanokristaller ses lösas upp i varandra när isen värms upp under konstant tryck till 150 grader Kelvin, eller minus 190 grader Fahrenheit. Även om den fortfarande var långt under fryspunkten, bildade isen ett nästan vätskeliknande lager. Detta ultraviskösa vatten räknas inte till de enkla linjerna i fasdiagrammet, där vatten går direkt från is till ånga.
Studien väcker spännande frågor som skulle kunna utforskas i framtida arbete. Vad är det exakta för det vätskeliknande skiktet som forskarna såg? Vad skulle hända om trycket höjs, tillsammans med temperaturen? Och banar denna teknik vägen mot en glimt av "ingenmansland", tillståndet där superkylt vatten plötsligt kristalliseras från vätska till is? Den hundra år långa vetenskapliga undersökningen av vattnets många stater fortsätter.
Medförfattare med Wen och Zhou är Lei Yu, Thomas Gage, Suvo Banik, Arnab Neogi, Henry Chan, Xiao-Min Lin, Martin Holt och Ilke Arslan från Argonne; Yulin Lin och Aiwen Lei från Wuhan University; och Nathan Rosenmann från University of Illinois i Chicago.
Mer information: Yulin Lin et al, Ytförsmältning av is långt under trippelpunkten, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2304148120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Argonne National Laboratory
