Crystallization of pristine cubic ice from liquid at ambient pressure
Diese Studie zeigt, dass reines kubisches Eis (Ic) durch das Abkühlen einer Hydrat bildenden wässrigen Lösung, die in mesoporösem Siliziumdioxid eingeschlossen ist, unter atmosphärischem Druck reproduzierbar direkt aus dem flüssigen Zustand gebildet werden kann, was offenbart, dass Nanoeinschluss und Clathrat-Promotoren einen natürlich zugänglichen Pfad für diese bisher schwer fassbare Polymorphie ermöglichen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Wasser ist eine der vertrautesten Substanzen auf der Erde, doch es verbirgt ein Geheimnis, das Wissenschaftler seit Jahrzehnten vor Rätsel stellt. Wenn Wasser gefriert, verwandelt es sich normalerweise in einen Kristall mit einer spezifischen, geordneten Form, der als hexagonales Eis bekannt ist. Dies ist das Eis, das wir in Schneeflocken, Gletschern und unseren Gefrierschränken sehen. Wassermoleküle können sich jedoch auch zu einer anderen, selteneren Form anordnen, die als kubisches Eis bezeichnet wird. Lange Zeit debattierten Wissenschaftler darüber, ob diese kubische Form jemals natürlich aus flüssigem Wasser entstehen könne oder ob sie nur eine flüchtige, ungeordnete Mischung aus Formen sei, die sich schnell in die übliche hexagonale Art verwandelt. Die Frage war deshalb von Bedeutung, weil, falls reines kubisches Eis leicht entstehen kann, es in der Atmosphäre und im tiefen Weltraum weita viel häufiger vorkommen könnte, als bisher angenommen, was unser Verständnis von Wettermustern und der Zusammensetzung von Kometen verändern könnte.
Ein Forscherteam hat nun einen Weg gefunden, dieses schwer fassbare kubische Eis direkt aus flüssigem Wasser bei normalem Luftdruck erscheinen zu lassen, ohne extreme Kälte oder hohen Druck zu benötigen. Dies gelang ihnen, indem sie eine Mischung aus Wasser und einer spezifischen organischen Chemikalie in winzigen, schwammartigen Löchern in einem Material namens Siliziumdioxid einschlossen. Das Siliziumdioxid fungiert dabei wie ein Behälter mit Millionen mikroskopischer Tunnel, die jeweils etwa 3,7 Nanometer breit sind. In diesen Tunneln platzierten die Forscher ein flüssiges Gemisch aus Wasser und Tetrahydrofuran, einer Chemikalie, die dafür bekannt ist, käfigartige Strukturen mit Wassermolekülen zu bilden. Als sie dieses eingeschlossene Gemisch auf 150 Kelvin abkühlten, gefror das Wasser.
Die Ergebnisse waren eindeutig und reproduzierbar. Unter Verwendung eines leistungsstarken Instruments, das Neutronen auf die Probe feuert, um zu beobachten, wie die Atome angeordnet sind, beobachteten die Forscher, dass sich das Wasser in reines, makelloses kubisches Eis verwandelt hatte. Dies war keine ungeordnete Mischung aus Formen, sondern eine einzige, einheitliche Kristallstruktur. Das Experiment zeigte, dass diese Transformation zuverlässig geschah, wenn die Flüssigkeit zwischen 0,34 und 0,60 Kubikzentimetern Raum pro Gramm Siliziumdioxid ausfüllte. Entscheidend war, dass die Forscher nachwiesen, dass das kubische Eis nur aufgrund der Kombination aus den winzigen Tunneln und der Anwesenheit von Tetrahydrofuran entstand. Als sie Kontrollexperimente mit reinem Wasser oder einer anderen Chemikalie durchführten, die keine Käfige bildet, gefror das Wasser in die übliche hexagonale Form oder in eine ungeordnete Mischung, aber niemals in die reine kubische Form.
Die Studie enthüllte auch, was mit den Teilen der Mischung geschieht, die nicht gefrieren. Während das Wasser in der Mitte der Tunnel zu kubischem Eis wurde, blieb eine dünne Schicht der Flüssigkeit nahe der Tunnelwände ungefroren und verwandelte sich in einen glasartigen, nicht-kristallinen Zustand. Diese glasartige Schicht enthält die Tetrahydrofuran-Moleküle, die offenbar mit der Siliziumdioxid-Oberfläche interagieren und verhindern, dass dort Eis gebildet wird. Diese Trennung deutet darauf an, dass die organischen Moleküle eine direkte Rolle bei der Führung der Wassermoleküle in die kubische Form spielen. Die Forscher maßen die Temperatur, bei der dieses eingeschlossene Eis schmilzt, und fanden einen Wert von 230 Kelvin, was mit dem Verhalten von Eis in solch kleinen Räumen übereinstimmt.
Diese Entdeckung legt nahe, dass kubisches Eis nicht nur eine Labor-Kuriosität ist, sondern eine stabile Form von Wasser, die unter Bedingungen existieren kann, wie sie in der Natur vorkommen. Der Aufbau des Experiments ahmt Umgebungen nach, in denen Wasser auf winzigen Staubpartikeln in der Atmosphäre oder in den eisigen Körnern von Kometen eingeschlossen sein könnte. An diesen Orten existieren organische Moleküle und mineralischer Staub oft nebeneinander und schaffen genau die Bedingungen, die die Forscher zur Züchtung des Eises verwendet haben. Die Ergebnisse stellen die Vorstellung infrage, dass Eis in der oberen Atmosphäre oder im Weltraum hauptsächlich eine ungeordnete Mischung aus Formen ist. Stattdessen legen sie nahe, dass reines kubisches Eis in diesen Umgebungen die primäre Form sein könnte, die direkt aus flüssigem Wasser entsteht, wenn die richtigen Zutaten vorhanden sind. Durch den Nachweis, dass dieser Prozess bei normalem Druck und relativ hohen Temperaturen für Eis funktioniert, eröffnet die Studie einen neuen Weg zum Verständnis darüber, wie sich Wasser in den extremsten und fernsten Winkeln unseres Universums verhält.
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