Die Geheimnisse von Wasser und Eis als Material aufdecken

Anonim

Wasser ist lebenswichtig für das Leben auf der Erde und seine Wichtigkeit kann einfach nicht überbewertet werden - es ist auch tief in unserem Gewissen verwurzelt, dass es etwas sehr Besonderes daran gibt. Aus wissenschaftlicher Sicht ist jedoch vieles über Wasser und seine vielen festen Phasen unbekannt, die eine Fülle von ungewöhnlichen Eigenschaften und sogenannten Anomalien aufweisen, die, obwohl sie für die chemische und biologische Bedeutung des Wassers von zentraler Bedeutung sind, oft als umstritten angesehen werden.

Dies inspirierte Forscher am University College London und an der Oxford University zu einem besseren Verständnis von Wasser und Eis als Materialien, was weitreichende Auswirkungen auf viele Forschungsbereiche hat. In einem Artikel im Journal of Chemical Physics berichten sie über ihre Arbeit an der Wasserstoffordnung der VI des ungeordneten Eises gegenüber ihrem geordneten Gegenstück Ice XV.

"Immer wenn flüssiges Wasser gefriert, enden nur seine Sauerstoffatome in festen Positionen", erklärt Christoph G. Salzmann, außerordentlicher Professor und Forschungsbeauftragter der Royal Society am Department of Chemistry des University College London. "Die Wasserstoffatome bleiben ungeordnet - wir nennen solche Phasen von Eis 'Wasserstoff gestört'. Beim Abkühlen wird erwartet, dass die Wasserstoffatome geordnet werden und zu Wasserstoff-geordneten Eis führen. Dieser Prozess ist jedoch schwierig, da die Umorientierungen der wasserstoffgebundenen Wassermoleküle sehr kooperativ sind.

Um das Konzept zu erklären, benutzte er ein Kachelspiel als Analogie.

"Von der Unordnung zur Ordnung zu kommen, ist eine schwierige Arbeit, weil die Fliesen sich nicht unabhängig bewegen können - ähnlich wie bei Eis", sagte er. "Vor ein paar Jahren haben wir jedoch herausgefunden, dass die Zugabe einer kleinen Menge an Salzsäure dramatisch dazu beiträgt, die Wasserstoffordnung bei niedrigen Temperaturen zu erreichen."

Salzsäure ist die "magische Zutat", die die Neuorientierung der Wassermoleküle beschleunigt.

Eis VI und Eis XV sind beide Hochdruckphasen von Eis, die sich bei etwa 10.000 Atmosphären bilden. "Die Struktur von Eis XV ist seit Jahren Gegenstand lebhafter wissenschaftlicher Diskussionen", sagte Salzmann. "Eine Vielzahl verschiedener und zum Teil widersprüchlicher Modelle wurde sowohl aus experimentellen Daten - einschließlich einer früheren Studie unserer Gruppe - als auch aus Computerstudien vorgeschlagen."

Für diese Arbeit wandten sich die Forscher der Neutronenbeugung zu, um die Struktur von Eis XV und seine Entstehung aus Eis VI zu analysieren. "Die Verwendung von Neutronen ist wichtig, weil Röntgenstrahlen im Wesentlichen" blind "gegenüber Wasserstoffatomen sind", sagte Salzmann. "Um die Struktur von Eis XV vollständig zu lösen, müssen wir wirklich wissen, wo sich die Wasserstoffatome befinden - Neutronen sind essentiell."

Die Arbeit der Gruppe stellt eine wesentliche Veränderung im Verständnis von Eis XV dar, das einen Großteil ihrer früheren Arbeit konsolidiert. "Zuerst haben wir beim ISIS-Wissenschafts- und Technologierat in Großbritannien gezeigt, dass das Eis in zwei Richtungen schrumpft, sich aber im dritten während des Übergangs von Eis VI nach XV ausdehnt", erklärte er. "Mit Dichtefunktionaltheorieberechnungen können wir zeigen, dass nur ein bestimmtes Strukturmodell von Eis XV mit diesen Änderungen konsistent ist."

Übrigens ist diese Struktur auch diejenige, die die Gruppe aus ihrer eingehenden Analyse von Neutronen-Daten vorgeschlagen hat.

"Diese Übereinstimmung zwischen Experiment und Berechnungen ist groß, insbesondere weil es widersprüchliche Ansichten bezüglich Eis XV gab", fügte er hinzu. "Das Gesamtvolumen des Eises steigt während des Phasenübergangs an, was schließlich erklärt, warum der Übergang bei Umgebungsdruck leichter beobachtet wird als bei höheren Drücken - ein Verhalten, das uns lange Zeit verwirrt hat."

Ein weiterer wichtiger Punkt, der in ihrem Artikel vorgestellt wird, ist ein neues Computerprogramm namens "RandomIce", das die beste strukturelle Beschreibung von Eis XV bis heute hervorgebracht hat. "Wir haben die Aufbereitung des bestbestellten Eis-XV bisher vorgestellt, aber wir haben noch keinen komplett geordneten Zustand erreicht", sagte Salzmann.

RandomIce ermöglicht die Erstellung von molekularen Modellen im großen Maßstab, die die Gruppe "Superzellen" nennt. Diese stimmen mit der durchschnittlichen Struktur überein, die aus den Beugungsdaten erhalten wird, und im wesentlichen "RandomIce" spielt das oben beschriebene Kachelspiel, bis die beste Übereinstimmung mit den Beugungsdaten erreicht ist. "Dazu waren mehr als 100 Millionen Fliesbewegungen notwendig", betonte Salzmann.

Die Arbeit der Gruppe öffnet die Tür für die Entwicklung von genaueren Computermodellen für Wasser, von denen eine große Bandbreite an Disziplinen profitieren kann - von Biologie und Chemie über Geologie bis hin zu Atmosphärenwissenschaften.

Darüber hinaus ist es nun möglich, "zu klären, in welcher Form Eis unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen in Eismonden und Planeten zu erwarten ist", sagte Salzmann.

Was kommt als nächstes für die Forscher?

"Es gibt immer noch eine offene Frage darüber, warum wir in Eis XV keine volle Ordnung erreichen können", sagte Salzmann. "Wir haben bereits neue experimentelle Arbeiten begonnen, um zu untersuchen, wie sich die Eigenschaften von Eis innerhalb von Nano-Konformationen und der Anwesenheit chemischer Spezies verändern - weil wir daran interessiert sind, das komplexe Verhalten von Eis auf Kometen und in unserer Atmosphäre zu verstehen."

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